DETERMINING THE VIABILITY OF PLANTAGO MAJOR (L.) IN SARANSK

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ PLANTAGO MAJOR (L.) В УСЛОВИЯХ Г. САРАНСКА

Научная статья

Лабутина М.В.^1, *, Маскаева Т.А.², Чегодаева Н.Д.³

^{1, 2, 3} Мордовский государственный педагогический университет имени М. Е. Евсевьева, Саранск, Россия

* Корреспондирующий автор (labutina-m[at]mail.ru)

Аннотация

Одним из факторов загрязнения окружающей среды в городе является накопление тяжелых металлов, как в почве, так и в растениях, произрастающих на ней. В статье рассматривается изменение некоторых морфометрических и репродуктивных параметров подорожника большого в условиях техногенного загрязнения в городе с учетом содержание свинца в почве и растениях разных участков. Возрастание антропогенного воздействия приводит к сокращению некоторых морфометрических характеристик растений в 1,2–1,8 раза. Семенная продуктивность подорожника находится в определенной обратной зависимости от степени антропогенного загрязнения. Определено, что семенная продуктивность меньше подвержена изменению при невысоком техногенном загрязнении, при повышенной нагрузке наблюдается ее снижение в 2–3 раза.

Ключевые слова: загрязнение, окружающая среда, свинец, растения индикаторы, морфометрические характеристики, репродуктивные параметры, вариативная изменчивость.

DETERMINING THE VIABILITY OF PLANTAGO MAJOR (L.) IN SARANSK

Research article

Labutina M.V.^1, *, Maskaeva T.A.², Chegodaeva N.D.³

^{1, 2, 3} M. E. Evsevyev Mordovian State Pedagogical University, Saransk, Russia

* Corresponding author (labutina-m[at]mail.ru)

Abstract

One of the factors of environmental pollution in the city is the accumulation of heavy metals both in the soil and in the plants growing on it. The article examines the change of some morphometric and reproductive parameters of Plantago major in the context of man-made pollution in the city, taking into account the lead content in the soil and plants of different areas. Increasing anthropogenic impact leads to a reduction of some morphometric characteristics of plants by 1.2-1.8 times. The natural productivity of plantain is in a certain inverse dependence on the degree of anthropogenic pollution. The study determines that the agricultural productivity is less susceptible to change with low man-mad pollution, while with an increased load, it is descreased by 2-3 times.

Keywords: pollution, environment, lead, plant indicators, morphometric characteristics, reproductive parameters, variability.

Введение

В последнее время для интегрированной оценки экологического состояния окружающей среды все чаще используются растения–индикаторы. Это растения, которые способны реагировать на изменения окружающей среды как своим присутствием или отсутствием, так и изменением внешнего вида или химического состава [1, С. 146], [6, С. 21].

При биомониторинге загрязнений использование индикаторов часто предоставляет более ценную информацию, чем непосредственная оценка загрязнения приборами, так как биоиндикаторы реагируют сразу на весь комплекс загрязнений [8].

При определении загрязняющих веществ выделяют специальные группы растений индикаторов: для общего загрязнения – лишайники и мхи, для загрязнения тяжелыми металлами – слива, подорожник и фасоль, диоксидом серы – ель и люцерна, аммиаком – подсолнечник, сероводородом – шпинат и горох, ароматическими органическими веществами – недотрога и другие [5, С. 432]. В связи с этим, используя специфические критерии растений-индикаторов, можно определить уровень загрязнения окружающей среды [7, С. 16].

В связи с этим целью изучения явились некоторые морфометрические и репродуктивные параметры растений подорожника большого (Plantago major L.) в разных условиях урбанистической среды.

Plantago major L. – многолетнее травянистое растение из семейства Plantaginасеае с мочковатой корневой системой. Побеговая часть состоит из розетки листьев и выходящих из их пазух безлистных цветоносных стрелок высотой 10–50 см, с густыми цилиндрическими колосовидными соцветиями. Плод – многосемянная коробочка. Анемофилл [2, с. 240].

В Мордовии подорожник большой растет повсеместно: на лугах, пустырях, вдоль дорог, часто его можно встретить и в городах – на газонах, вдоль автомобильных дорог, во дворах жилых домов [9, С. 212].

Исследования и сбор материала проводили с июня по сентябрь 2019 года. В городе было выбрано несколько модельных участков. На каждом участке случайным образом было выбрано 10 растений в трех повторностях. Такой объем выборки считается достаточным для репрезентативной оценки локальных популяций.

При проведении исследования использовались следующие методы:

Экскурсионно-маршрутный метод использовали для получения приблизительных данных о численности, распространении P. major в разных района города. Преимуществами данного метода является широкий охват территории.

Методом площадок выбрали участки растительности, затронутые деятельностью человека, площадью не менее 1 км². Расположение площадок выбирали внутри жилого массива, затем определялись по 3 участка площадью 1 м². При использовании данного метода в пределах биотопа закладывались 3 пробных площадки, на которых проводится подсчет численности вида, определяли пространственную структуру.

Морфометрический метод, с помощью которого были изучены некоторые биометрические параметры (количество растений на модельном участке, среднее число листьев на растении, их размеры, длина колоса, число плодов, число семян в коробочке).

Кроме этого, проведено сравнительное изучение содержания свинца в растениях и почве на разных по степени техногенного загрязнения участках города [10, С. 25]. Обработка собранных результатов проводилась с учетом статистического метода [4, С. 270].

Для осуществления эксперимента в пределах города было выбрано 6 участков:

Участок № 1 – зеленая зона территории МГПУ им. М. Е. Евсевьева. Этот участок выбран как условно-контрольный, т. к. он удален от крупных автодорог, промышленных предприятий.

Участок № 2 – транспортное кольцо около магазина «Чайка»; находится в спальном районе юго-западной части города, однако вблизи оживленной автотрассы. Предположительно основными загрязняющими веществами на этом участке являются оксид азота, формальдегид и другие [3, С. 30].

Участок № 3 – территория под Химмашевским мостом; является одним из самых загрязненных участков, так как вблизи располагается железнодорожные пути, автозаправочная станция, а также автомагистраль.

Участок № 4 – перекресток улиц Гагарина и Васенко; промышленный центр города, является одним из самых загрязненных участков. Вблизи располагаются крупные промышленные предприятия (ОАО «Электровыпрямитель», Биохимик), автомагистрали. Основными загрязняющими веществами на этом участке являются пыль тяжелых металлов (меди, свинца, ванадия, кадмия и другие), оксид и диоксид азота, бензапирен, формальдегид и другие.

Участок № 5 – бульвар Эрьзи, р-н Химмаш, вблизи находятся предприятие ОАО «Резинотехника», а также автомагистраль, ведущая на выезд из города. Здесь предельно допустимую концентрация превышают соединение свинца, взвешенные вещества и окислы азота [3, С. 33].

Участок № 6 – район Светотехстрой, улица Коваленко, двор жилого дома № 6 и № 8. Во дворе расположена стоянка личных автомобилей, детская площадка, имеется подъезд к продуктовому магазину.

Результаты по определению свинца в почве и растениях показали его присутствие во всех взятых пробах. В пробах почвы максимальное его количество (1,41 %) выявлено на участке № 5 (около ОАО «Резинотехника»), в меньшей степени свинец обнаружен в пробах почвы с участков № 3 (0,68 %, под Химмашевским мостом) и № 4 (0,79 %, центр города). В жилых районах количества свинца в почве участков № 1, 2 и 6 составляло 0,22 %, 0,25 % и 0,37 % соответственно (см. рисунок 1).

Рис. 1 – Содержание свинца в растениях Plantago major и почвах разных участков (г. Саранск)

 

В растениях подорожника наиболее высокое содержание свинца (0,39 %) определено на участке № 5. Несколько ниже его количество в растениях на участках № 2 (0,25 %), № 3 (0,24 %), № 4 (0,21 %) и № 6 (0,26 %). Минимальное количество свинца в растениях подорожника определено на участке № 1 – 0,18 % (зеленая зона МГПУ). Данные статистического анализа показали, что различия значений рассмотренного признака с разных участков города по сравнению с условно контрольным достоверны. Графическая демонстрация содержания свинца в почвах и растениях P. major, собранных с исследуемых участков, хорошо иллюстрирует, что участок № 5 является наиболее проблемным в этом отношении (см. рисунок 1).

Пространственная структура размещения подорожника на исследуемых участках, выявила наибольшее количество растений на участке № 1 (19 особей/м²), наименьшее – на участке № 4 (13,7 особей/м²) и № 3 (14,7 особей/м²). На остальных модельных участках плотность P. major была относительно постоянной и составляла 16,0–17,6 особей/м² (см. таблицу 1).

 

Таблица 1 – Пространственные и биометрические показатели некоторых признаков P. Major с исследуемых участков г. Саранска

№ участка	Количество растений на участке, шт.	Количество листьев на растении, шт.	Длина репродуктивного побега, см	Длина листа, см	Ширина листа, см
1	19,0±0,57	6,6±0,88	13,6±0,20	7,9±0,20	9,0±0,64
2	17,1±0,57	6,2±0,82	12,6±0,41	7,1±0,26	8,2±0,17
3	14,7±0,65*	4,4±0,31*	13,3±0,46	7,9±0,23	7,7±0,11
4	13,7±1,2*	5,3±0,50	12,8±0,79	7,5±0,38	8,1±0,26
5	16,0±1,14	9,0±0,20*	12,8±0,23	7,4±0,37	8,0±0,05
6	17,6±0,45	7,4±0,39	13,1±0,37	7,5±0,91	8,3±0,31

  Примечание: отличие от контроля достоверно при *р<0,001  

Определение количества листьев в розетке подорожника на исследуемых участках показало относительно постоянное их число на участках № 1, № 2, и № 6 (от 6,2 до 7,4 листа на особь) и значительное снижение числа листьев на участках № 3 (4,4 шт.) и № 4 (5,3 шт.). В то же время максимальное количество листьев на одно растение выявлено на участке № 5 – 9,0 листа на особь. Биометрических показатели размеров листа P. major характеризовались как относительно стабильные. Длина листа колебалась по исследуемым участкам незначительно и составляла 7,1–7,9 см; амплитуда колебаний ширины листа определялась от 7,7 см до 9,0 см. Также незначительно изменялась средняя длина репродуктивного побега по модельным участкам – 12,6–13,6 см.

Определение коэффициента изменчивости данных морфологических признаков подорожника в условиях разного техногенного воздействия показало, что изученные признаки в 2019 г. изменялись незначительно (см. рисунок 2). Наибольшей изменчивостью обладали такие признаки как количество растений на площадке – от 3,3 % до 15,2 %, количество листьев на растении – от 7,3 % до 23,2 %, что вероятно, объясняется кроме техногенного воздействия еще и разнородностью действия экологических факторов. В очень малых пределах изменяется размеры листа P. major по всем площадкам.

Рис. 2 – Вариационная изменчивость подорожника большого (г. Саранск)

 

Выявлено, что величина коэффициента изменчивости по числу растений на площадке увеличивается в условиях возрастания антропогенного воздействия (на участках № 4 и 5) и уменьшается в относительно чистых условиях. По числу листьев на растении отмечается обратная зависимость: в условиях повышенной техногенной нагрузки коэффициент изменчивости уменьшается.

Кроме вегетативных органов, изучению в разных условиях техногенного воздействия подверглись и некоторые репродуктивные параметры растений подорожника, такие как количество плодов и семян на репродуктивный побег.

Известно, что P. major в условиях средней полосы цветет с июня по сентябрь. Плод – пленчатая коробочка, раскрывающаяся поперечной щелью и содержащая сплюснутые зеленовато-коричневые семена.

При учете семенной продуктивности были получены следующие результаты (см. таблицу 2). Наибольшее количество коробочек на репродуктивном побеге подорожника отмечалось на участке № 1 – 154 шт., здесь же максимальным было число семян в одной коробочке – 10,5 шт. и соответственно общее число семян на побег (1605 шт.) Минимальным число коробочек на побег отмечалось на участках № 4 и № 5 – в среднем 120–125 шт. Из них на участке № 5 определилось наименьшее число семян на побег – 679 шт. На участках № 2, 3 и № 6 – число коробочек на побег составляло не более 136–139 шт.

 

Таблица 2 – Семенная продуктивность Plantago major (Саранск, 2019)

№ участка	Количество растений на участке, шт.	Количество листьев на растении, шт.	Длина репродуктивного побега, см	Длина листа, см	Ширина листа, см
1	19,0±0,57	6,6±0,88	13,6±0,20	7,9±0,20	9,0±0,64
2	17,1±0,57	6,2±0,82	12,6±0,41	7,1±0,26	8,2±0,17
3	14,7±0,65*	4,4±0,31*	13,3±0,46	7,9±0,23	7,7±0,11
4	13,7±1,2*	5,3±0,50	12,8±0,79	7,5±0,38	8,1±0,26
5	16,0±1,14	9,0±0,20*	12,8±0,23	7,4±0,37	8,0±0,05
6	17,6±0,45	7,4±0,39	13,1±0,37	7,5±0,91	8,3±0,31

Коэффициент изменчивости по данным признакам относительно постоянный по всем участкам и менялся незначительно – в интервале 11,2–13,6 % по числу плодов на побег и большей степени – 23,6–29,3 % по числу семян в плоде.

Заключение

Таким образом, почва в городе накапливает соединения свинца в немалых количествах, что, несомненно, отражается на произрастающих здесь растениях. Выявлено, что наибольшее количество его содержится в почве и растениях участка № 5 – около ОАО «Резинотехника».

В условиях города P. major характеризует себя как устойчивое растение, однако испытывающее определенный стресс, который проявляется в изменении некоторых важных признаков. Возрастание антропогенного воздействия приводит к сокращению некоторых морфометрических характеристик растений в 1,2–1,8 раза. Семенная продуктивность подорожника находится в определенной обратной зависимости от степени антропогенного загрязнения, в частности аккумуляции свинца растением. Определено, что семенная продуктивность меньше подвержена изменению при невысоком техногенном загрязнении, при повышенной нагрузке наблюдается ее снижение в 2–3 раза.

P. major является растением–биоаккумулятором загрязняющих веществ, в частности, соединений свинца, что дает возможность его использовать не только в качестве биоиндикатора состояния окружающей среды, но и фиторемедиатора.

Финансирование Выполнена в рамках гранта на проведение научно-исследовательских работ по приоритетным направлениям научно-исследовательской деятельности вузов-партнеров по сетевому взаимодействию (ФГБОУ ВО «ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный гуманитарно-педагогический университет»») по теме «Оценка экологического состояния окружающей среды посредством растений-биоиндикаторов».)	Funding Carried out within the framework of a grant for carrying out research work in priority areas of research activities of partner universities in network interaction (FSBEI HE "FSBEI HE" South Ural State Humanitarian and Pedagogical University") on the topic "Assessment of the ecological state of the environment through plants-bioindicators".)
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Безуглая Э. Ю. Чем дышит промышленный город / Э. Ю. Безуглая. – Л. : Гидрометеоиздат, 2006.– С. 146–150.
2. Губанов И. А. Plantago majorL. – Подорожник большой / И. А. Губанов, К. В.Киселева, В. С. Новиков //Иллюстрированный определитель растений Средней России. В 3 т. – М. : Т-во научных изданий КМК, 2003. – С.
3. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды в Республике Мордовия в 2018 году / М-во лесного, охотничьего хоз-ва и природопользования Республики Мордовия ; редкол.: Ю. В. Медянкин, В. М. Максимкин, А. Н. Макейчев, Ю. С. Якушкин [и др.]. Саранск, 2019. – С. 30–37.
4. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта / Б. А. Доспехов. – М. : Агропромиздат, 1985. – С. 269–290.
5. Жуйкова Т. В. Репродуктивные возможности растений в градиенте химического загрязнения среды / Т. В. Жуйкова, В. С. Везель, В. Н. Позолотина, О. А. Северюхина // Экология. – 2002. – № 6. – С. 432–437.
6. Илькун Г. М. Загрязнители атмосферы и растения / Г. М. Илькун. – К. : Наука и техника, 1993. – 246 с.
7. Лабутина М. В. Оценка состояния города по асимметрии листьев / М. В. Лабутина, Е. А. Аникина // Евсевьевские чтения. Серия : Актуальные проблемы биологии, химии и методик обучения : сборник научных трудов по материалам Междунар. науч.-практич. конференции с элементами научной школы для молодых ученых «51-е Евсевьевские чтения», 15-16 мая 2015. – Саранск, 2016. – С. 16–20.
8. Маскаева Т. А. Исследование оценки степени генотоксичности почвы у предприятия ООО «Саранский завод керамических изделий» / Т. А. Маскаева, М. В. Лабутина, Н. Д, Чегодаева // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 5. – [Электронный ресурс]. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=26874 (дата обращения: 12.06.2021)
9. Силаева Т. Б. Сосудистые растения Республики Мордовия (конспект флоры) : монография / Т. Б Силаева, И. В. Кирюхин, Г. Г. Чугунов и др., под ред. Т. Б. Силаевой – Саранск : Изд-во Мордовского университета, 2010. – С. 212.
10. Федорова А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды / А. И. Федорова, А. Н. Никольская. – М. : ВЛАДОС, 2003. – С. 25–26.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bezuglaya E. Yu. Chem dyshit promyshlennyj gorod [What industrial city breathes] / E. Yu. Bezuglaya. – L. : Gidrometeoizdat, 2006. – P. 146–150. [in Russian]
2. Gubanov I. A. Plantago major L. – Podorozhnik bol'shoj [Plantago major L.] / I. A. Gubanov, / K. V. Kiseleva, V.S. Novikov // Illjustrirovannyj opredelitel' rastenij Srednej Rossii [Illustrated guide to plants of Central Russia]. In 3 volumes – M. : T-in scientific publications KMK, 2003. – P. 240. [in Russian]
3. Gosudarstvennyj doklad o sostojanii i ob ohrane okruzhajushhej sredy v Respublike Mordovija v 2018 godu [State report on the state and protection of the environment in the Republic of Mordovia in 2018] / Ministry of forestry, hunting and nature management of the Republic of Mordovia; editorial board: Yu. V. Medyankin, V. M. Maksimkin, A. N. Makeychev, Yu. S. Yakushkin [et al.]. Saransk, 2019. – P. 30–37. [in Russian]
4. Dospekhov B.A. Metodika polevogo opyta [Method of field experiment] / BA Dospekhov. – M.: Agropromizdat, 1985. – P. 269–290. [in Russian]
5. Zhuikova T. V. Reproduktivnye vozmozhnosti rastenij v gradiente himicheskogo zagrjaznenija sredy [Reproductive capabilities of plants in the gradient of chemical pollution of the environment] / T. V. Zhuikova, V. S. Vesel, V. N. Pozolotina, O. A. Severyukhina // Ecology. – 2002. – No. 6. – P. 432–437. [in Russian]
6. Ilkun G.M. Zagrjazniteli atmosfery i rastenija [Atmospheric pollutants and plants]. – K.: Science and technology, 1993. – 246 p. [in Russian]
7. Labutina M. V. Ocenka sostojanija goroda po asimmetrii list'ev [Assessment of the state of the city by the asymmetry of leaves] / M. V. Labutina, E. A. Anikina // Evsev'evskie chtenija. Serija : Aktual'nye problemy biologii, himii i metodik obuchenija : sbornik nauchnyh trudov po materialam Mezhdunar. nauch.-praktich. konferencii s jelementami nauchnoj shkoly dlja molodyh uchenyh «51-e Evsev'evskie chtenija», 15-16 maja 2015 [Evsevievskie readings. Series: Actual problems of biology, chemistry and teaching methods: a collection of scientific papers based on the materials of the Intern. scientific-practical conferences with elements of a scientific school for young scientists "51st Evsevievskie readings", May 15-16, 2015]. – Saransk, 2016. – P. 16–20. [in Russian]
8. Maskaeva T.A. Issledovanie ocenki stepeni genotoksichnosti pochvy u predprijatija OOO «Saranskij zavod keramicheskih izdelij» [Study of the assessment of the degree of genotoxicity of the soil at the enterprise LLC "Saransk ceramic ware plant"] / T. A. Maskaeva, M. V. Labutina, N. D. Chegodaeva // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern problems of science and education]. – 2017. – No. 5. – [Electronic resource]. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=26874 (accessed: 12.06.2021) [in Russian]
9. Silaeva T. B. Sosudistye rastenija Respubliki Mordovija (konspekt flory) [Vascular plants of the Republic of Mordovia (compendium of flora)]: monograph, ed. T. B. Silaeva / T. B. Silaeva, I. V. Kiryukhin, G. G. Chugunov et al. – Saransk : Publishing house of the Mordovian University, 2010. – P. 212. [in Russian]
10. Fedorova A. I. Praktikum po jekologii i ohrane okruzhajushhej sredy [Workshop on ecology and environmental protection] / A. I. Fedorova, A. N. Nikolskaya. – M. : VLADOS, 2003. – P. 25–26. [in Russian]