Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=11 Дата изменения: Fri May 5 15:25:22 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:15:26 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: цинк

Использование макрофитов в качестве биоиндикаторов по методу определения
степени стерильности пыльцы.


Авторы: Кочергина Ирина Александровна, Маткина Людмила Викторовна


г.Челябинск, школа ?12, 10 класс. Дворец пионеров и школьников, секция
биологии и экологии Научного Общества Учащихся. e-mail: zaivv@mail.ru


Научный руководитель Зайцева Валентина Васильевна, педагог дополнительного
образования Дворца пионеров и школьников им.Н.К.Крупской. Научный
консультант Гайдученко Леонид Леонидович, К.Б.Н., зав. кафедрой экологии
Челябинского государственного университета.


ПЛАН РАБОТЫ:

Введение. Актуальность и задачи работы.
1.Биогеографическая характеристика района экспедиции.
2.Описание реки Уй.
3.Методика работы.
4.Теоретические основы вопроса.
5.Результаты работы и обсуждение.
1. Морфология пыльцевых зерен. Таблица ? 1.
2. Результаты определения доли стерильной пыльцы у растений различных мест
обитания. Таблица ? 2.
3. Рассуждения по полученным результатам.
Выводы.
Литература.

ВВЕДЕНИЕ. АКТУАЛЬНОСТЬ. ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

Челябинская область щедро наделена природой водными ресурсами. Но
сверхнасыщенность региона промышленными предприятиями, неразумное отношение
к природным богатствам привело в целом к тому, что наша область по всем
параметрам может быть названа зоной экологического бедствия и, в частности,
к оскудению водных ресурсов, к катастрофической нехватке питьевой воды,
массовому обмелению и загрязнению водоемов и рек.
Высшие водные растения, как составная часть водного биогеоциноза не
существуют изолированно, а находятся в тесной связи со средой обитания, с
факторами среды и окружающими организмами, вступая с ними в сложные
отношения.
Одним из показателей, описанным в литературе и рекомендованным для
биоиндикационных исследований, является снижение жизнеспособности и
фертильности пыльцы (1). Для биоиндикации комплекса неблагоприятных
факторов, приводящих к сбоям в процессе созревания пыльцы, используются
популяции растений, обитающих в естественных условиях. (2).
Мы решили использовать такой показатель, как степень стерильности пыльцы,
для определения экологического состояния реки Уй в районе экспедиции. Кроме
того, нам хотелось определить, могут ли быть использованы в качестве
биоиндикаторов другие виды растений кроме описанных в литературе.
В своей работе мы поставили следующие задачи:
1.Проанализировать видовой состав прибрежно-водной и водной растительности
реки Уй в районе экспедиции.
2.Вычислить степень стерильности пыльцы изученных видов.
3.Сопоставить полученные результаты с литературными данными.
4.Попытаться выявить новые виды - индикаторы, пригодные для применения
данной методики.
5. Сравнить данные по Троицкому району и городу Челябинску.
6.Произвести оценку экологического состояния территории по значению доли
стерильности пыльцы.

1.Биогеографическая характеристика района экспедиции.

Основные исследования были проведены нами в ходе летней экспедиции.
Экспедиция биологов и экологов Дворца пионеров и школьников им. Н.К.
Крупской г. Челябинска базировалась со 2 по 12 июля 2001 г. на левом берегу
реки Уй, в окрестностях села Степное, которое находится в Троицком районе
Челябинской области. Район зоны слабо холмистый, характеризуется сочетанием
долин и плоских водораздельных пространств, прикрытых аллювиальными
образованиями, а также в значительной части чехлом меловых и третичных
отложений. Основной особенностью района является большое распространение
песчанико - сланцевых толщ, частью угленосных, нижнекаменно-угольного
возраста, частью более древних - до нижнего силура включительно (3).
Интрузивные породы занимают громадные площади, особенно граниты и змеевики.
Климат района резко континентальный. Зима суровая, с большими морозами и
частыми метелями, а лето сухое и жаркое. Зимой морозы достигают 42 градуса
ниже нуля, а жара летом 30-40 градусов выше нуля. Так что амплитуда крайних
температур (минимум и максимум) достигает 80 градус, что является
характерным только для стран с резко континентальным климатом.
Показатели среднемесячных температур и сумма температур свыше 10 градусов в
степной зоне являются наиболее высокими по сравнению с остальными зонами
Челябинской области.
Троицкий район входит в состав подзоны ковыльно-разнотравных степей на
обыкновенных среднегумусных черноземах (с ковылем узколистным, ковылем
Лессинга). Для района характерны степные группировки (типчаково -
разнотравные, разнотравно-ковыльные и др.), а также заросли степных
кустарников - вишни степной, таволги зверобоелистной, кизильника. В составе
их довольно много реликтовых видов, что указывает на характер хотя бы части
лугово - степной и степной растительности.

2.Описание реки Уй.

Река Уй лежит на границе между лесостепной и степной зоной. Уй
берет начало у подножия Урал-Тау, течет на восток, пересекает всю область.
Направление ее течения совпадает в общем с границей между лесостепной и
степной зонами. Общая длина реки 462 км, из них 400 км в пределах нашей
области. Основное питание реки снеговое. Половодье высокое,
непродолжительное, межень низкая, имеет место перемерзание и пересыхание.
Амплитуда колебания уровней воды изменяется от верховьев (1.5м) к Троицку
(9м). Летняя межень неустойчивая, прерывистая, продолжительность ее от 10-
20 дней до 6 месяцев.
По долине на луговой - черноземных и аллювиальных почвах встречаются
настоящие злаково - разнотравные и злаковые, а также солонцеватые луга.
Ихтиофауну представляют: плотва, щука, окунь, ротан.

3.Теоретические основы вопроса.

Анализируя нарушения нормального хода развития пыльцы В.П. Банникова и О.А.
Хведынич пишут: «Если растение растет в нормальных условиях и не является
гибридным, то почти вся образующаяся пыльца будет нормальной и фертильной.
Под влиянием неблагоприятных внешних условий (плохой погоды с чрезмерно
низкими или высокими температурами, с большой или малой влажностью), под
влиянием искусственного воздействия различными реагентами (химическими
веществами, облучением) нормальное развитие пыльцы может нарушиться, что
приводит к появлению стерильной пыльцы. Нарушения в развитии пыльцы могут
происходить как на очень ранних стадиях, еще в мейозе, так и на более
поздних - при делении генеративной клетки и образовании спермиев. Нарушения
в развитии пыльцы могут быть вызваны не только факторами внешней среды, но
и генетическими причинами. Такие нарушения чаще всего происходят у
гибридных, полиплоидных и апомиктичных растений».(5)
У большинства цветковых растений размножение происходит половым путем, т.е.
в форме амфимиксиса. Однако, наряду с амфимиксисом существует другой способ
образования семян - апомиксис. «Апомиксис - это размножение растений, не
связанное со слиянием мужской и женской гамет, но происходящее при участии
семян. Апомиксис возник из полового размножения и является вторичным,
филогенетически более молодым признаком. В связи с этим апомиксис тесно
связан с амфимиксисом» (6).
Таким образом, применяя такой показатель, как степень стерильности пыльцы к
биоиндикационным исследованиям нужно быть уверенным в том, что причиной
стерильности является именно комплекс вытяжных условий, те же виды
растений, которые размножаются апомиктично в силу своих природных
особенностей не могут быть использованы в качестве биоиндикаторов. «При
использовании метода учета степени стерильности пыльцы перед
исследователями возникают большие трудности, связанные с необходимостью
различить естественную стерильность и индуцированную антропогенным
воздействием. Известно, что около 70 % видов цветковых растений
представлены гермафродитами, у которых стерильные пыльцевые зерна не
превышают 5 - 10 % (Кордюм, Глущенко 1976 г.; Поддубная - Арнольди, 1976
г.; Куприянов, 1983 г.) Это наибольшее количество дефектных пыльцевых зерен
не мешает в целом считать такую пыльцу фертильной. Работами С.С. Хохлова и
его школы (Хохлов и др., 1978 г.; Куприянов, 1989 г.) показано, что
стерильная пыльца в норме наблюдается у 30 - 40 % видов цветковых растений,
из них почти у 20 % дефектность пыльцы обусловлена апомиксисом (в то же
время существуют апомикты с нормальной пыльцой)(7). Это данные, полученные
при исследованиях в относительно чистых районах. Работ же, направленных на
выявление влияния среды на процесс созревания пыльцы, мало. Так, нами
обнаружены и проанализированы работы Г.И. Егоркиной, Е.Ю. Зарубиной и В.В.
Кириллова (2), Т.Д. Веселовой (7), К.П. Глазуновой (8).
В работе Т.Д. Веселовой и др. рассмотрено влияние антропогенных факторов
(автодорога, разнообразные промышленные выбросы) на мужскую генеративную
сферу ряда цветковых растений в экологически неблагополучных районах Москвы
(7). В результате определены 4 вида растений, которые могут служить
биоиндикаторами.
В работе Г.И.Егоркиной и др. сделана попытка применения высших водных
растений для оценки состояния некоторых водоемов Алтая (2).
Исходя из результатов последней работы, мы выстроили методику своих
исследований.

4.Методика работы

Исследования проводились нами 2 - 30 июля последовательно на трех водных
объектах. 2 - 12 июля проводился сбор материалов на р. Уй в окрестностях
села Степное в Троицком районе Челябинской области. 15 - 30 июля на реке
Миасс в черте города Челябинска (в пределах северо - западного района), и
на озере Карповое (вблизи поселка Шершни). Эти водоемы отличаются по
характеру и уровню антропогенного воздействия. Река Уй в районе экспедиции
испытывает рекреационное воздействие со стороны местных жителей.
Распаханные поля на расстоянии 3 км, животноводческие фермы расположенные
ранее на берегах реки, уже несколько лет заброшены.
Река Миасс в районе севера - запада имеет на своих берегах только одно
промышленное предприятие - хлебокомбинат имени Григоровича. Но велика
автотранспортная нагрузка и рекреационное воздействие.
На берегах озера Карповое находятся дачные поселки. Река Миасс и озеро
Карповое находятся непосредственно в черте города Челябинска, который
является основным источником их загрязнения.
На каждом из водоемов нами была собрана пыльца водных и прибрежно-водных
растений. Стерильность пыльцы использована в качестве интегрального
показателя на различных стадиях созревания пыльцевых зерен. Изучение пыльцы
проводили как на свежем, так и на фиксированном в этиловом спирте
материале, перед рассматриванием под микроскопом (УМ -301 ? 8312; 140 -
кратном увеличении) пыльцу окрашивали раствором Люголя (4).Повторность
изучения вида зависела от того, на скольких водных объектах этот вид был
нами обнаружен. Исследовано до нескольких сотен пыльцевых зерен каждого
вида. В основе йодного метода лежит определение крахмала в зрелых пыльцевых
зернах. Обычно фертильная пыльца окрашивается в темно - фиолетовый, почти
черный цвет. Стерильная пыльца не содержит крахмала и остается
неокрашенной.
Кроме того, мы обращали внимание на форму пыльцевых зёрен, как
прокрашенных, так и непрокрашенных.
Для возможности статистической обработки результатов мы определяли долю
стерильных зёрен в процентах.
5.Результаты работы и обсуждение.
5.1 Таблица 1Морфология пыльцевых зерен.
В отличие от результатов других исследований, мы не можем сказать, что
непрокрашенные (стерильные) пыльцевые зерна все были деформированы (2,7).
Наоборот, они имели и обычную форму, а вот среди нормально прокрашенных
(зрелых) пыльцевых зерен встречалось небольшое число с морфологическими
отклонениями. Чем это можно объяснить? Мы предполагаем две причины. Во-
первых, всем живым организмам свойственна морфологическая изменчивость.
Вполне возможно, что все уведенные нами формы пыльцевых зерен являются
проявлением морфологической изменчивости в пределах нормы для каждого
вида. Во-вторых, изменения формы пыльцевых зерен также как и увеличение
стерильности, является следствием действия неблагоприятных факторов. Но в
случае исследования на Алтае, явления стерильности пыльцы и деформации
пыльцевых зёрен проявились вместе, а в наших исследованиях морфологически
измененными оказались и созревшие зерна и стерильные, два следствия одной и
той же причины (неблагоприятные условия) проявились в нашем случае не
совместно, а раздельно.

5.2 Результаты определения доли стерильной пыльцы у растений различных мест
обитания.

Таблица ? 2. Стерильность пыльцы высших водных растений из разных мест
обитания.

|Вид растения |р. Уй |р. |Карповое|Алтай |
| | |Миасс |озеро | |
|Рогоз широколистый | | | | |
|1. исследовано пыльцевых зерен |264 | |302 |4634 |
|2. из них стерильных |19 % | |32 % |7,7 % |
|Тростник обыкновенный | | | | |
|исследовано пыльцевых зерен |208 |266 |207 |4479 |
|из них стерильных |34 % |40 % |35 % |10,7 % |
|Рогоз узколистный | | | | |
|исследовано пыльцевых зерен |269 | | |1597 |
|из них стерильных |21 % | | |4,2 % |
|Камыш озерный | | | | |
|исследовано пыльцевых зерен |208 | | |1515 |
|2. из них стерильных |13 % | | |1 % |
|Ситняг болотный | | | | |
|исследовано пыльцевых зерен |293 | | | |
|2. из них стерильных |24 % | | | |
|Сусак зонтичный | | | | |
|исследовано пыльцевых зерен |288 | | | |
|2. из них стерильных |85 % | | | |
|Ситник развесистый | | | | |
|исследовано пыльцевых зерен |299 | | | |
|2. из них стерильных |29 % | | | |


5.3 Рассуждения по полученным результатам.

5.3.1. Из перечня растений, пыльца которых была исследована на стерильность
в нашем регионе, и по данным исследований на Алтае, мы получили
возможность сравнить четыре следующих вида: рогоз широколистный, рогоз
узколистный, тростник обыкновенный, камыш озерный.
5.3.2.По сравнению с камышом озерным, рогозы и тростник имеют большую
степень стерильности пыльцы (и в Челябинской области и на Алтае), что по
мнению Алтайских ученых является проявлением чувствительности к мутагенам.
Это совпадает и с нашими данными, и мы можем только согласиться с их
рекомендациями для использования рогозов и тростника в качестве
биоиндикаторов.
5.3.3.Следует особо обратить внимание на данные по тростнику
обыкновенному: во-первых, и в Челябинской области и на Алтае он имеет
самую высокую степень стерильности пыльцы; во-вторых, этот вид исследован
нами не только на реке Уй, но и на реке Миасс Карповом озере в черте
города Челябинска, безусловно самым загрязненным из перечисленных водоемов
является река Миасс.
Именно здесь тростник имеет самую высокую степень стерильности пыльцы -
(40 %).
5.3.4.Камыш озерный имеет самый низкий процент стерильности пыльцы из
вышеперечисленных видов и в Челябинской области, и на Алтае. Это явление
объяснимо с точки зрения особенности строения и свойства хромосомного
аппарата данного вида: «Низкая мутабильность таких видов объясняется, по -
видимому, тем, что виды семейства осоковых имеют голокинетические или
полицентрические хромосомы. Как известно, при воздействии кластогенов
фрагменты таких хромосом не теряют ориентацию в процессе деления клетки и
регулярно расходятся к полюсам, отчего баланс генов не нарушается» (2)
5.3.5.Сравнивая наши исследования с данными Алтайских ученых, мы видим, что
показатели степени стерильности пыльцы в нашем регионе выше по всем
указанным видам растений. Поэтому можно говорить о том, что в нашей
местности менее благополучна экологическая обстановка.
5.3.6.Самый высокий процент стерильности пыльцы для тростника обыкновенного
выявлен на реке Миасс. Предположительно, высокая стерильность может быть
обусловлена накоплением в растениях тяжелых металлов. У растений,
произрастающих в условиях среды, загрязненной тяжелыми металлами,
наблюдается нарушения формирования микроспор, что ведет к образованию
морфологически и генетически разнокачественных пыльцевых зерен. В
исследованиях алтайских учёных выявлена связь между количеством аберраций в
мейозе, стерильностью пыльцы, изменением ее размеров и накоплением тяжелых
металлов в цветочных почках. «Большое накопление металлов в цветочных
почках в зоне сильного загрязнения вызывает и более высокую степень
отклонения от нормы. Присутствие тяжелых металлов в среде прорастания
пыльцы угнетает ее прорастание и рост пыльцевых трубок. Это позволяет
рекомендовать пыльцу этого вида для биоиндикации загрязнения среды
тяжелыми металлами» (9). По данным Росгидромета (Челябинский областной
центр) на участке Шершневского водохранилища до начала Северо - Западного
района отмечено превышение допустимых норм по цинку в 1,7 раза, железу
общему в 1,3 раза по средним годовым концентрациям (10). Кроме того, в
литературе нами найдены сведения о мутагенном эффекте, производимом
токсичными веществами, выделяемыми сине - зелеными водорослями в период их
бурного размножения. (11).Аналогичный эффект может быть вызван действием
радиации. Для Челябинской области этот момент очень важен, однако, данных о
присутствии радиоактивных изотопов или увеличении радиационного фона в
районе р. Миасс нами не найдено.
5.3.7.Кроме видов, использованных нами в качестве биоиндикаторов и уже
известным нам по литературным данным исследования ученых Алтая (2), мы
решили испробовать данную методику еще на трех видах, встретившихся нам в
экспедиции. Надо сказать, что «порог вредоносности» для пыльцы водных
растений пока не определен. Известно лишь, что способность макрофитов к
накоплению в вегетативных и генеративных тканях токсичных веществ приводит
к тому, что концентрация вредных веществ в тканях растений обычно превышает
концентрацию этих же веществ во внешней среде во много раз. Три растения,
на которых мы решили испробовать данную методику это: сусак зонтичный,
ситняг болотный, ситник развесистый.
Для таких видов, как ситняг болотный и ситник развесистый доля стерильной
пыльцы соответственно 29 % и 24 % .Оба вида имеют варианты в строении
пыльцевых зерен. Доля стерильности находится на одном уровне с показателями
у выше описанных растений (табл. ? 2). Это позволяет нам предположить, что
данные виды могут быть также использованы в качестве биоиндикаторов.
Однако, наши данные были бы более полными и достоверными, если бы мы
проанализировали эти виды на других водных объектах. Так и было задумано
перед началом работы. К сожалению, ситник развесистый ни на реке Миасс (в
районе Северо - Запада), ни на Карповом озере не был обнаружен. А ситняг
присутствовал на реке Миасс, но мы застали его уже в стадии плодоношения, и
провести анализ пыльцы было невозможно. Временной промежуток, определенный
нами для исследований, в принципе, должен был охватить период созревания
пыльцы у этого растения, но видимо, в черте города, где температурный режим
всегда на 1 - 2 градуса выше, чем за городом, созревание произошло быстрее
и мы захватили стадию плодоношения.
Разумеется, исследования пыльцы ситника и ситняга должны быть повторены для
получения более четких результатов.
5.3.8.Сусак зонтичный. Обнаружена очень малая доля прокрашенных пыльцевых
зерен (15 %), т.е. стерильность составляет 85 %. Истолковывая эти данные,
мы можем предположить:
1.большая степень стерильности от природы, если сусак зонтичный
принадлежит к апомиктичным видам.
2.малая степень созревания пыльцы в связи с климатическими
особенностями года (холодная весна и лето), что обусловлено особенностями
биологии вида. Проанализированная нами литература не дает ответа на вопрос,
относится ли сусак зонтичный к апомиктичным видам(6, 7). Кроме того,
указаний на большую чувствительность процесса вызревания пыльцы этого
растения к погодным условиям нами тоже не обнаружены. По всей видимости,
такие данные могли бы содержаться в исследованиях, посвященных конкретно
данному виду, или в работах по апомиксису, где среди исследованных видов
присутствовал бы и сусак зонтичный. Но таких работ мы не нашли.
Консультации с лабораторией биоиндикации г.Борок также не дали однозначного
ответа на этот вопрос.

ВЫВОДЫ.

1.Морфологические изменения пыльцевых зерен не могут на наш взгляд служить
биоиндикаторными показателями, т.к. в наших исследованиях мы их обнаружили
и у фертильной, и у стерильной пыльцы.
2.Наши исследования подтвердили, что такие виды, как тростник обыкновенный,
рогоз широколистный и рогоз узколистный могут быть использованы в качестве
биоиндикаторов для определения загрязнения естественных водоемов, в
частности, тяжелыми металлами.
3.Из числа видов, впервые изученных нами на возможность использования их в
качестве биоиндикаторов, мы можем рекомендовать ситняг болотный и ситник
развесистый при условии получения дополнительных данных.
4.Природа высокой стерильности пыльцы сусака зонтичного нами не
установлена. Указаний на склонность этого вида к апомиксису в литературе
нами не обнаружено.
5.Сравнивая долю стерильности пыльцы водной растительности Алтайского
региона и Челябинской области, можно сказать, что экологическая обстановка
нашей области менее благополучна.

ЛИТЕРАТУРА.

1. В.П. Бессонова .// Экология 1992 , ? 4, с. 45-50.
2. Г.И. Егоркина, Е.Ю. Зубрина, В.В. Кириллов // Использование высших
водных растений для оценки генотоксичности поверхностных вод// Сибирский
экологический журнал. 2000 ? 6, с. 685-688.
3.Ф.Я. Кирин. Природа Челябинской области - Челябинск: Южно - Уральское
книжное издательство, 1964 , с. 240.
4. З.П. Паушева, Практикум по цитологии растений, М., Агропромиздат, 1988,
с. 148.
5. В.П. Банникова, О.А. Хведынич. Основы эмбриологии растений, Киев,
«Наукова Думка», 1982, с. 34.
6. Апомиксис и селекция, М., «Наука» - 1970, с. 88.
7. Бюллетень Московского общества испытателей природы. отд. биол. 1996, Т.
101, вып. 4, с. 69 - 72.
8. Экологическое воздействие автомобильных дорого, Материалы Всесоюз.
рабоч. совещ., М, 1990, с. 38-42.
9. И.К. Володько , Микроэлементы и устойчивость растений к неблагоприятным
факторам среды, Минск, 1983, с. 56.
10. Комплексный доклад. Гидрометеорология и мониторинг окружающей среды -
на службе области. Г. Челябинск: Еманжелинский Дом печати, 2000, с. 38.
11. Г.И. Егоркина, Место растений в оценке генотоксичности химических
веществ и загрязненных сред (обзор литературы), Институт водных и
экологических проблем со РИ -Барнаул, 1996, Ден. в ВИНИТИ 14.10.96 3020,
в.96.