ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА НА СОСТОЯНИЕ НАЗЕМНОВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ МЕТОДАМИ БИОИНДИКАЦИИ
Пузынина Г.Г.
кандидат биологических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Ишимский государственный педагогический институт имени П.П. Ершова»
Левых А.Ю.
кандидат биологических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Ишимский государственный педагогический институт имени П.П. Ершова»
Ермолаева А.В.
кандидат биологических наук, ФГБОУ ВПО «Ишимский государственный педагогический институт имени П.П. Ершова»
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА НА СОСТОЯНИЕ НАЗЕМНО-ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ МЕТОДАМИ БИОИНДИКАЦИИ
В статье проведена оценка влияния автомобильного и железнодорожного транспорта на состояние наземно-воздушной среды по изменчивости морфологических признаков покрытосемянных растений (Magnoliophita, Achillea millefolium L., Tanacetum vulgare L.), морфологических признаков мелких млекопитающих (Rodentia, Apodemus agrarius Pallas).
Ключевые слова: транспорт, индикаторные особенности, популяции, загрязнение.
Key words: transport, indicator features, populations, pollution.
Основными антропогенными факторами, влияющими на экологическое состояние города Ишима, являются автомобильный и железнодорожный транспорт. Среди многих загрязнителей окружающей среды необходимо выделить выхлопные газы транспортных средств, поступление которых постоянно возрастает и оказывает негативное влияние на качество воздуха, воды, почвенных покровов, растительный и животный мир. Выхлопные газы представляют смесь более 200 веществ и служат основным источником углеводородов и оксидов азота, которые приводят к повышению приземного содержания озона, являющегося высокотоксичным для растений и животных газом (Селиванов, 2010). В ряде исследований показано, что озон, проникая в клетки растений, разрушает их. Это снижает фотосинтез, ослабляет растения и делает их чувствительными к стрессам, в качестве которых могут выступать колебания климата, насекомые-вредители, болезни.
Несмотря на то, что железнодорожный транспорт из всех видов транспорта оказывает наименьшее негативное воздействие на природную среду, его доля в загрязнении остаётся достаточно высокой (Панова, 2010). При перевозке пылящих грузов в атмосферу попадают соли, минеральные удобрения, руды. Из вагонов-цистерн, вследствие негерметичности клапанов и люков, выливаются нефтепродукты. При остановке и трогании поездов из букс колёсных пар выливаются смазочные материалы. Из пассажирских вагонов происходит загрязнение железнодорожного полотна сухим мусором и сливными водами. При работе печного отопления в вагонах в атмосферу выбрасывается большое количество соединений серы, углекислого и угарного газов и других вредных компонентов. В процессе торможения от истирания рельсов и бандажей колёсных пар, образуется металлическая пыль, содержащая кроме железа, примеси марганца, хрома, которые способны окислятся, переходить в растворимое состояние и попадать в почву (Лапина, 2005).
Сказанное определило цель данного исследования: определение влияния автомобильного и железнодорожного транспорта города Ишима на состояние наземно-воздушной среды методами биоиндикации. В качестве объектов исследований из растений использовали широко распространённые: пижму обыкновенную (Tanacetum vulgare L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.), из животных - полевую мышь (Аpodemus agrarius Pallas, 1771). У растений анализировали морфологические показатели такие, как высота растения и число цветов в каждом соцветии, у полевой мыши – 16 неметрических признаков черепа.
Материалы и методы исследований
Для проведения исследований выбрана зона вдоль автомагистрали, расположенной на юго-западной окраине города и железнодорожного полотна, пересекающего город на северо-восточной окраине. Выборку полевых мышей, отловленных вдоль железнодорожного полотна условно назвали «Железнодорожник», вдоль автомобильной трассы -«Автомобилист». В качестве условно чистой зоны выбрали луг и берёзово-осиновый колок, расположенные на расстоянии 7 километров от дорог.
Сбор растений (по 50 экземпляров на каждом участке) проводили на расстоянии 3-4-х метров от железнодорожного и автомобильного полотна в конце июля 2012 г. Анализировали наиболее чувствительные к действию загрязнителей морфологические показатели растений, такие как высота и число цветов в соцветии. Измерения проводили штангенциркулем с точностью до 0,1мм.
Материалом для фенетического анализа послужила коллекция черепов полевой мыши (Apodemus agrarius Pallas) (170 экз.), собранная в летний период 2012 года методом массового неизбирательного отлова ловушками Геро, расставленными в ловчие линии. Для фенетического анализа использовали каталог фенов неметрических пороговых признаков черепа, разработанный А.Г. Васильевым с соавторами (2005). Частоты фенов в выборках (р±Sp) рассчитывали как отношение числа проявлений признака к общему числу исследованных сторон для бинарных признаков, к общему числу исследованных черепов – для унитарных признаков (Астауров, 1974).
Сравнения выборок по отдельным признакам проводили с помощью критерия Стьюдента (t). Описанные расчеты производили с помощью пакета прикладных программ Statan (Гашев, 1996).
Результаты исследований и их обсуждение
Полученные экспериментальные данные указывают на статистически значимые различия по высоте растений и числу цветов в соцветии в выборках из популяций вдоль автомобильной и железной дорог по сравнению с контролем. Показано уменьшение высоты растений в 1,6 – 2,0 раза и количества цветов в соцветиях в 1,7 - 2 раза в природных популяциях вдоль автомагистрали и железнодорожного полотна, по сравнению с природными популяциями луга и леса. Различия в анализируемых показателях между сравниваемыми экспериментальными и контрольными популяциями достоверно значимы (р<0,001). В популяциях изучаемых растений, произрастающих вдоль автомагистрали и железной дороги, отмечена достоверно высокая вариативность обоих признаков, по сравнению с признаками растений из популяций луга и леса (Табл. 1-4).
Таблица 1. Основные статистические показатели морфологических признаков тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium L. )
|
Место произрастания |
N |
Хср |
Sx |
σ² |
σ |
СV |
Cs |
Доверительный интервал |
|
высота растения |
||||||||
|
вдоль железнодорожного полотна |
50 |
34,8 |
1,07 |
56,68 |
7,53 |
21,6 |
3,06 |
2,09 |
|
берёзово-осиновый колок (контроль) |
50 |
53,8 |
0,64 |
20,27 |
4,5 |
8,37 |
1,18 |
1,25 |
|
количество цветков в соцветии |
||||||||
|
вдоль железнодорожного полотна |
50 |
76,1 |
5,74 |
1645,19 |
40,57 |
53,3 |
7,54 |
11,24 |
|
берёзово-осиновый колок (контроль) |
50 |
197,56 |
4,57 |
1042,5 |
32,29 |
16,3 |
2,31 |
8,95 |
Таблица 2. Статистическое сравнение выборочных показателей тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium L.), произрастающего в разных экологических условиях
|
Сравниваемые группы |
t-критерий |
F-критерий |
||
|
Хср |
σ |
СV |
σ² |
|
|
|
высота растения |
|||
|
опыт-контроль |
15,3* |
3,45* |
5,72* |
2,8** |
|
количество цветков в соцветии |
||||
|
16,57* |
1,6 |
6,63* |
1,58 |
|
Примечание: * - различия достоверны при Р≤0,05; ** - при Р≤0,01; ***- при Р≤0,001.
Таблица 3. Основные статистические показатели морфологических признаков пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.)
|
Место произрастания |
N |
Хср |
Sx |
σ² |
σ |
СV |
Cs |
Доверительный интервал |
|
высота растения |
||||||||
|
вдоль автомобильной дороги |
50 |
60,5 |
1,23 |
75,7 |
8,7 |
14,38 |
2,03 |
2,41 |
|
луг (контроль) |
50 |
106,4 |
1,11 |
61,4 |
7,84 |
7,37 |
1,04 |
2,17 |
|
количество цветков в соцветии |
||||||||
|
вдоль автомобильной дороги |
50 |
168,8 |
3,21 |
515,05 |
22,7 |
13,45 |
1,9 |
6,29 |
|
луг (контроль) |
50 |
324,6 |
2,89 |
416,98 |
20,42 |
6,29 |
0,89 |
5,66 |
Таблица 4. Статистическое сравнение выборочных показателей пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.), произрастающей в разных экологических условиях
|
Сравниваемые группы |
t-критерий |
F-критерий |
||
|
Хср |
σ |
СV |
σ² |
|
|
|
высота растения |
|||
|
опыт-контроль |
27,73*** |
0,74* |
4,34*** |
1,23 |
|
количество цветков в соцветии |
||||
|
36,1*** |
0,75 |
4,82*** |
1,24 |
|
Примечание: * - различия достоверны при Р≤0,05; ** - при Р≤0,01; ***- при Р≤0,001.
Явную угнетённость растений из анализируемых популяций можно объяснить антропогенными изменениями природной среды. В районе исследования отсутствуют промышленные предприятия. Поэтому основными загрязнителями воздуха, оказывающими ингибирующее влияние на растения, являются выхлопные газы автомобилей, загрязнители железнодорожного транспорта, обладающие токсичностью. Высокие показатели вариативности признаков у растений из популяций, расположенных вдоль автомагистрали и железной дороги, указывают на их широкие адаптивные возможности, обеспечивающие устойчивость растений природной флоры к антропогенным воздействиям.
Дикорастущие растения являются удобным объектом для оценки токсического влияния загрязнителей окружающей среды. В частности, широко распространенный виды пижма обыкновенная и тысячелистник обыкновенный оказались чувствительными и удобными объектами для изучения токсических свойств загрязнителей автомобильного и железнодорожного транспорта.
Анализ неметрических признаков черепа полевой мыши показывает, что каждая популяционная группа имеет своеобразную фенетическую структуру. Специфика проявляется как в отсутствии, или наличии отдельных фенов, так и в распределении их частот. В контрольной выборке полевой мыши наиболее высокими частотами характеризуются фены FHgsi (наличие подъязычного отверстия) (0,77±0,12), Fаsac (наличие дополнительного клиновидного отверстия) (0,53±0,11) и FRacan (наличие дополнительного круглого отверстия) (0,53±0,11). Самыми редкими в этой выборке являются фены FMtan (наличие переднего околорезцового подбородочного отверстия) (0,07±0,03) и FMbdu (удвоенное нижнечелюстное отверстие) (0,08±0,03). Частоты остальных фенов колеблются в пределах значений от 0,13±0,08 (FeMs – окно на сосцевидной кости) до 0,42±0,06 (FMtdu – удвоенное подбородочное отверстие).
В выборке «Железнодорожник» доминирует фен FBsme (наличие медиального клиновидного отверстия) (0,63±0,18); на втором месте по встречаемости находится фен FHgsi (наличие подъязычного отверстия) (0,5±0,14); на третьем – фен FePas (окно на заднем крае нёба) (0,38±0,13). Наиболее низкими частотами в данной выборке характеризуются фены Fopm (отверстие на предчелюстной кости) (0,06±0,05); FMtan (наличие переднего околорезцового подбородочного отверстия) (0,06±0,05). В этой выборке совсем не зарегистрированы фены FPmme (наличие медиального предчелюстного отверстия) и FPodu (удвоенное предглазничное отверстие).
Выборка «Автомобилист» характеризуется высокими частотами фенов FHgsi (0,41±0,08); FePas (0,39±0,09); FRacan (0,34±0,08). В данной выборке отсутствует фен FMbdu, и с низкой частотой встречаются фены FMtan (0,01±0,01); FeMs (0,04±0,03); FPmme (0,05±0,02) и Fopm (0,07±0,03).
Статистическое сравнение показало, что выборки «Железнодорожник» и «Автомобилист» достоверно различаются по частотам четырёх фенов: FPodu; FPmme, FBsme и FMbdu (Табл.5). Выборка «Железнодорожник» достоверно отличается от контроля по восьми фенам: FPodu; FPmme, FMxdu, FePas, FBsme, FAsac, FHgsi, FMtdu. Выборка «Автомобилист» значимо отличается от контроля частотами одиннадцати фенов: FeMs, FPmme, FPldu, FePas, FBsme, FAsac, FRacan, FHgsi, FMtdu, FMtan, FMbdu. Очевидно, что наборы фенов, по которым опытные выборки отличаются от контрольной несколько различаются, и выборка «Автомобилист» эпигенетически более дифференцирована от контрольной, хотя пространственно расположена ближе к ней.
Таблица 5. Сравнение разных выборок полевой мыши по частотам 16 фенов неметрических признаков черепа
|
Фены, № п/п |
Попарное сравнение выборок, t-критерий Стьюдента |
||
|
Железнодорожник – Контроль |
Автомобилист – Контроль |
Железнодорожник - Автомобилист |
|
|
1.FPodu |
4,53*** |
1,46 |
3,33** |
|
2.FFrdu |
1,35 |
1,35 |
0,05 |
|
3.FEtdu |
0,37 |
0,89 |
0,53 |
|
4.FeMs |
1,42 |
2,31* |
0,93 |
|
5.FPmme |
6,39*** |
4,77*** |
2,29* |
|
6.Fopm |
0,56 |
0,27 |
0,29 |
|
7.FMxdu |
2,29* |
1,49 |
0,79 |
|
8.FPldu |
1,35 |
2,51* |
1,14 |
|
9.FePas |
5,32*** |
5,16*** |
0,15 |
|
10.FBsme |
4,45*** |
3,9*** |
9,04*** |
|
11.FAsac |
4,24*** |
4,6*** |
0,33 |
|
12.FRacan |
0,85 |
2,76*** |
1,89 |
|
13.FHgsi |
4,13*** |
5,56*** |
1,28 |
|
14.FMtdu |
3,55*** |
2,54* |
0,98 |
|
15.FMtan |
0,29 |
2,19* |
1,94 |
|
16.FMbdu |
1,16 |
2,95** |
3,87*** |
Примечание: * - различия достоверны при Р≤0,05; ** - при Р≤0,01; ***- при Р≤0,001.
Проведённые исследования позволяют сделать следующие выводы:
1) Угнетённость растений и высокий показатель вариативности по высоте растений и числу цветов в соцветии в популяциях, произрастающих вдоль автомобильных и железных дорог, указывают на высокую антропогенную нагрузку на природную среду и свидетельствуют об адаптивных возможностях растений.
2) Опытные выборки полевой мыши достоверно отличаются от контрольной по качественному составу фенов, их частотам. Отсутствие ряда фенов в опытных выборках указывает на элиминацию наиболее уклоняющихся в развитии вариантов и, соответственно, более жёсткий отбор в условиях загрязнения окружающей среды железнодорожным и автомобильным транспортом. Эпигенетические различия между выборкой «Автомобилист» и контрольной более существенны, чем между выборкой «Железнодорожник» и контролем. Вероятно, всё возрастающие потоки автомобильного транспорта оказывают более значимое влияние на эпигенетическую дифференциацию популяций мелких млекопитающих, чем железнодорожный транспорт.
Литература
1. Астауров, Б.Л. Наследственность и развитие / Б.Л. Астауров. - М.: Наука, 1974. - 359 с.
2. Васильев, А.Г. Эпигенетические основы фенетики: на пути к популяционной мерономии /А.Г. Васильев. - Екатеринбург: Изд-во «Академкнига», 2005. - 640 с.
3. Гашев, С.Н. Статистический анализ для биологов (Руководство по использованию пакета программ «Statan-1996») / С.Н. Гашев. - Тюмень: Изд-во ТГУ, 1998. - 22 с.
4. Панова, Н.С. Влияние железнодорожного транспорта на экологию / Н.С. Панова // Научно-технический вестник Поволжья. – 2010. – №1. – С. 139-144.
5. Лапина, С.Ф. Воздействие разнокачественных источников загрязнения на состояние почв / С.Ф. Лапина, А.Д. Синегибская // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири. – 2005. - №1. – С.124-127.
6. Селиванов, С.Е. Экологические проблемы Харькова / С.Е. Селиванов, А.В. Бажинов // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. – 2010. - № 49. – С.143-153.