Министерство общего и профессионального образования

Свердловской области

Управление образования Администрации города Нижний Тагил

Муниципальное автономное образовательное учреждение лицей № 39

Качество пыльцы мать-и-мачехи в условиях загрязнения окружающей среды

Исполнитель: ученица  10 класса А

Маньшина Елена

Научный руководитель:

Чупрова Наталья Валерьевна,

учитель биологии

высшей категории

Научный консультант: 

К.б.н., доцент кафедры естественных наук НТГСПА, Тимохина Ольга Александровна

г. Нижний  Тагил

2017г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………….3

Глава 1. Характеристика пыльцы цветковых растений

1. . Внешнее строение пыльцевых зёрен……..………………………………..4

1.2. Пыльца, её строение и значение ……………………… …………………..5

1.3. Жизнеспособность и фертильность пыльцы……………………………….7

1.4.Влияние загрязнения окружающей среды на состояние пыльцы…………9

Глава 2. Характеристика района и объекта исследования.  Методика.

2.1.Характеристика объекта исследования…………………………………….13

2.2.Характеристика района………………………………………………….......13

2.3.Методика исследования…………………………………………………......16

Глава 3. Качество пыльцы мать-и-мачехи в условиях загрязнения окружающей среды……………………………………………………………...17

Заключение……………………………………………………………………….22

Список литературы………………………………………………………………23

Введение

Актуальность: Процессы образования микроспор и прорастания пыльцы весьма чувствительны к действию химических и физических факторов. Однако влияние промышленных эмиссий на формирование пыльцы, её состояние и возможности использования для оценки загрязнения среды, в частности тяжёлыми металлами, изучены мало.  Исследование этого вопроса позволит ближе подойти к пониманию процессов генеративного развития и семенной продуктивности древесных и кустарниковых растений в условиях загрязнения среды. Стрессовые условия окружающей среды оказывают глубокое влияние на генеративные органы растений. Техногенное загрязнение оказывает заметное влияние на состояние растений, вследствие чего встают проблемы сохранения и восстановления лесов в загрязнённых районах, особенно вблизи городов.

Цель: Изучение качества пыльцы растений, произрастающих в условиях загрязнения окружающей среды.

Задачи: 

1. Анализ научной литературы

2. Определение фертильности пыльцы мать-и-мачехи, произрастающей в условиях загрязнения окружающей среды.

3. Определение размеров пыльцы мать-и-мачехи, произрастающей в условиях загрязнения окружающей среды.

4. Определение жизнеспособности пыльцы мать-и-мачехи, произрастающей в условиях загрязнения окружающей среды.

Объект: мать-и –мачеха.

Предмет  исследования: качество пыльцы.

Гипотеза: Можно предположить, что в условиях загрязнения окружающей среды качество пыльцы будет резко снижаться.

Глава 1. Характеристика пыльцы цветковых растений

1.1. Внешнее строение пыльцевых зерен

К моменту раскрытия пыльников и началу опыления пыльца бывает двухклеточной или трехклеточной. В этот момент пылинка является сформированной и уже имеет две оболочки: внутреннюю – интину, и внешнюю – экзину. Экзина не является однослойной, а состоит из нескольких слоев. Самый наружный слой экзины, несущий скульптурные утолщения, называют сэкзиной, или эктэнзиной; следующий за ним слой, не имеющий скульптурных утолщений, - нэкзиной, или эндэкзиной. Самый внутренний, примыкающий к интине слой, получил название мезины. Самой первой на поверхности пылинки возникает экзина, которая бывает грубой и толстой. Эктэнзина образована покровом, столбиками и подстилающим слоем. Поверхность эктэнзины гладкая или шероховатая. Структура эндэкзины может быть волокнистой, зернистой и т.д. Экзина гидрофобна и устойчива к различным воздействиям. Однако эндэкзина менее устойчива, чем эктэнзина. В экзине существуют борозды, поры, щели, колпы и другие тонкие места, а иногда сквозные отверстия, достигающие интины, объединенные под общим названием апертуры. Они служат местами прорастания пыльцевых трубок (Поддубная – Арнольди, 1976).

Величина и форма пыльцевых зерен

Пылинки различных видов покрытосеменных растений различаются не только структурой экзины, числом и характером отверстий для выхода пыльцевых трубок, но также своей величиной и формой. Иногда пыльца может значительно варьировать по своим размерам даже внутри одного и того же вида. Полиплоидные формы, особенно тетраплоиды, имеют значительно более крупную пыльцу, не редко большее число пор в них, более крупные спермии и более широкие пыльцевые трубки, чем соответственные диплоидные и гаплоидные формы одного и того же вида. Рядом исследователей показано, что величина пылинок может варьировать в зависимости от положения цветков, как в соцветиях, так и на самом растении, от положения тычинок в цветке и т.д. Так, например, по данным Д.В. Тер–Аванесяна (цит. по Поддубная–Арнольди, 1976), пылинки хлопчатника из верхних и нижних пыльников одного и того же цветка отличаются друг от друга по своей величине. Чем ближе пыльца расположена к источнику питания, тем лучше она развивается и становится крупнее.

По форме пыльца может быть округлой, эллиптической, тетраэдрической, бисквитообразной, удлиненной, треугольной и т.п. Строение, величина и форма пыльцы являются признаками систематическими.

Рис.1. Различные формы пылинок

Для каждого вида признаки эти постоянны и более или менее тесно связаны с приспособлением к тому или иному способу переноса пыльцы. Этот признак в настоящее время используют многие исследователи в целях выяснения филогенетических и систематических взаимоотношений различных групп покрытосеменных растений (Поддубная – Арнольди, 1976).

1.2. Пыльца и ее состав

Пыльца представляет собой сложный концентрат многих ценных в пищевом отношении и биологически активных веществ. Она богата белком, углеводами, липидами, нуклеиновыми кислотами, зольными элементами, витаминами и другими биологически важными веществами. Ниже приведен состав цветочной пыльцы в 100 г продукта, г

Белок пыльцы по своей биологической ценности (содержанию незаменимых аминокислот) превосходит белок (казеин) молока, являющегося по этому показателю одним из наиболее полноценных.

Наиболее богата белком пыльца сливы, персика, зверобоя, клевера ползучего, клевера лугового, горчицы черной, фацелии пижмолистной, василька синего, ивы, астры, эвкалипта, пальмы финиковой. Из липидов в пыльце содержатся жиры и жироподобные вещества (фосфолипиды, фитостерины и др.). В составе жиров обнаружены лауриновая, миристиновая, пальмитиновая, стеариновая, арахидоновая, олеиновая, линолевая, линоленовая и другие жирные кислоты. В пыльце гречихи и клевера имеется арахидоновая кислота, которая в основном встречается только в жирах животного происхождения. В комплексе линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты обладают F-витаминной активностью: выступая составной частью простагландинов, они выполняют в организме человека функции регуляторов гормональной активности, способствуют понижению

концентрации холестерина в крови и выведению его из организма.

В пыльце некоторых видов ив (козья, белая, ломкая) и кипрея содержание незаменимых жирных кислот составляет 63,1 — 83,7 % суммарного количества этих соединений. Богата ими также пыльца одуванчика, яблони, вишни, малины, гречихи посевной, клевера лугового.

В пыльце обнаружены различные фосфолипиды — холинфосфоглицериды (лецитины), инозитфосфоглицериды, этаноламинфосфоглицериды (кефалины), фосфатидилсерины и др. Эти вещества входят в состав полупроницаемых мембран клеток организма человека, избирательно регулируют поступление ионов, принимая активное участие в обмене веществ.

Пыльца характеризуется высоким содержанием фитостеринов (0,6—1,6 %), среди которых видное место принадлежит (3-фитостерину, оказывающему противоатеросклеротическое действие и являющемуся антагонистом холестерина в организме. Кроме того, из пыльцы выделен 24-метиленхолестерол.

В состав липидов пыльцы входят парафиновые углеводороды — трикозан, пентакозан, гептакозан и нонокозан.

В пыльце обнаружены значительные количества углеводов (30 %), среди которых установлено высокое содержание глюкозы и фруктозы. Из других сахаров в пыльце найдены дисахариды — мальтоза и сахароза, полисахариды — крахмал, клетчатка и пектиновые вещества.

Отмечено наличие в пыльце всех видов растений каротиноидов (от 0,66 до 212,5 мг в 100 г сухой обножки), превращающихся в организме человека в витамин А; витамин С (аскорбиновой кислоты).

Пыльца содержит значительное количество витаминов, мг в 100 г сухого вещества:

Содержание витаминов в 100г пчелиной обножки , мг

Из зольных элементов в состав пыльцы входят: калий — 0,6—1,0 %; фосфор —0,43; кальций — 0,29; магний — 0,25; медь —1,7; железо — 0,55 %. Кроме того, пыльца содержит кремний, серу, хлор, титан, марганец, барий, серебро, золото, палладий, ванадий, вольфрам, иридий, кобальт, цинк, мышьяк, олово, платину, молибден, хром, кадмий, стронций, уран, алюминий, таллий, свинец, бериллий и др. — более 28 элементов — стимуляторов физиологических и биохимических процессов в организме.

В значительных количествах в пыльце содержатся фенольные соединения — флавониды и фенолокислоты. Это большая группа веществ, обладающих широким спектром действия на организм человека, — капилляроукрепляющим, противовоспалительным, радиозащитным противоатеросклеротическим, противоокислительным,  желчегонным, мочегонным, противоопухолевым и др. В составе фенольных соединений пыльцы наибольшую долю занимают окисленные формы — флавонолы, лейкоантоцианы, катехины и хлорогеновые кислоты.

Наличием значительных количеств урсоловой и других три-терпеновых кислот наряду с другими биологически активными веществами обеспечивается противовоспалительное, ранозаживляющее, кардиотоническое и противоатеросклеротическое действие пыльцы.

Ферменты пыльцы играют важную роль в обменных процессах, регулируют (ускоряют или замедляют) важнейшие биохимические процессы в организме.

Установлено также наличие в пыльце соединений, обладающих гормональными свойствами (свойствами фитогормонов). Содержатся в ней и вещества, обладающие антибиотическим (противобактериальным) действием (http://apicultura.kirov.ru).  

1. 3. Жизнеспособность и фертильность пыльцы

Принято различать термины жизнеспособность и оплодотворяющая способность пыльцы. Так, Уолден и Эверетт (1961) отмечают, что жизнеспособность пыльцы можно определить как способность мужского гаметофита к росту на соответствующих тканях пестика, а оплодотворяющую способность, или зиготический потенциал, пыльцевого зерна как способность вызывать полное оплодотворение. Оплодотворяющую способность пыльцы ещё называют фертильностью. Наиболее надёжное определение жизнеспособности и фертильности дают методы in vivo. Для сравнительных оценок можно применять методы, которые основаны на методах окрашивания. Для определения фертильности используют два метода: ацетокарминовый и йодный.

Жизнеспособность пыльцы

Прорастание пыльцы на искусственных средах внешне напоминает прорастание спор грибов. В дальнейшем это сходство утрачивается. Выросшие пыльцевые трубки значительно толще гифов грибов (Голубинский, 1974).

Зрелая пыльца, попав на рыльце или искусственную питательную среду, начинает прорастать. Процесс прорастания пылинки начинается с ее разбухания, активизации движения цитоплазмы и выхода пыльцевой трубки из апертуры. При прорастании пыльцы и росте пыльцевых трубок наблюдается движение цитоплазмы. Различают разные типы движения цитоплазмы в пыльце и пыльцевых трубках: струйчатое, волнообразное, циркуляционное, ротационное и фонтанирующее.

Движение цитоплазмы имеет важное физиологическое значение. Оно способствует равномерному распределению различных веществ, а также концентрации пластических, физиологически активных веществ, ферментов и витаминов.

Потоки цитоплазмы пыльцевых трубок циркулируют вдоль оболочек. При наличии каллозных пробок движение идет в обратном направлении. Если в пыльцевой трубке имеется несколько каллозных, то в каждом отрезке пыльцевой трубки движение идет самостоятельно. Этот факт указывает на то, что пробки являются препятствиями на пути передвижения питательных веществ внутри пыльцевой трубки (Поддубная – Арнольди, 1976).

Находясь в пыльцевой трубке, генеративная клетка и спермии передвигаются вдоль нее активно, независимо от движения плазмы. Так, при движении плазмы к пыльцевому зерну генеративная клетка или спермии продвигаются вперед – к кончику трубки, т.е. против движения плазмы. При попутном движении плазмы половые элементы (спермии или генеративная клетка) продвигаются медленнее плазмы, и она их «обтекает».

Появление кончика пыльцевой трубки сквозь экзину пыльцевого зерна у разных видов наступает не одновременно. Скорость прорастания пыльцы зависит от биологических особенностей данного вида и ряда внешних факторов.

После высева пыльцы на искусственные среды необходимо время для подготовки ее к видимому прорастанию или появлению пыльцевых трубок, обычно от 5-10 мин до нескольких часов.

После помещения на питательный раствор пыльцевого зерна в нем происходят определенные процессы, связанные с предстоящим выпячиванием интины сквозь пору зерна – его прорастанием. Внутрь зерна из питательной среды проникает вода с растворенными в ней веществами, что ведет к биохимическим изменениям содержимого зерна, выражающимися в выделении в питательные среды или на поверхность рылец каких-то веществ (секретов), а также в образовании бугорков и отростков на поверхности пыльцевых зерен, которые затем исчезают.

Влияние величины пыльцевого зерна на его прорастание

Пыльца многих видов бывает неоднородной по размеру в пределах одного растения. Среди нормальных пыльцевых зерен встречаются как более мелкие, так и более крупные зерна.

Прорастание более крупной пыльцы, образовавшейся в результате улучшения питания или более удачного местоположения цветков на растении (что также связано с улучшением питания), в большинстве случаев выше, тогда как голодание растений снижает прорастание пыльцы. Ухудшается прорастание и с увеличением набора хромосом в пыльцевых зернах.

Рис.2. Не проросшие и проросшие пылинки (Поддубная-Арнольди, 1976)

1.4. Влияние загрязнения окружающей среды на состояние пыльцы

Генеративная сфера растений, формирующая будущее потомство, в значительной степени подвержена воздействию загрязняющих веществ. Атмосферные загрязнения оказывают влияние на жизнеспособность пыльцы, женские шишки, образование семян и их качество (Подзоров, 1965; Шкарлет, 1974; Антипов, Болотов, 1977; Лесные экосистемы, 1990). Под действием поллютантов у растений, снижается качество пыльцы (Шкарлет, 1974; Федотов, и др., 1983;). Но в отдельных работах (Антипов, Болотов, 1977; Федорков, 1991) встречаются сведения о положительном влиянии загрязнителей на качество пыльцы. Таким образом, в литературе нет единого мнении о качестве формируемой пыльцы у растений в условиях загрязнений.

В работе Третьяковой И.Н. и Носковой Н.Е. (2004) показано негативное влияние токсичных аэрогенных выбросов на состояние  пыльцы сосны обыкновенной. Авторы отмечают, что в условиях сильного загрязнения наблюдается увеличение высоты тела пыльцевого зерна. Также были выявлены аномалии пыльцы. Большую часть аномальных пыльцевых зёрен составляла мелкая и незрелая, дегенерировавшая пыльца. У некоторых деревьев недоразвитая пыльца составляла 41,6% и 30.4%. У некоторых пыльцевых  зёрен воздушные мешки не имели парусности, т.е не заполнялись воздухом или заполнялись только частично. В единичных случаях слияние двух мешков в один приводило к образованию воротничковых форм пыльцевого зерна. Указанные аномалии, а также наличие неразошедшихся микроспор (диады-тетрады) свидетельствует о нарушениях в процессах развития мужского гаметофита.

Авторами изучен гистохимический тест на крахмал, который показал умеренное его накопление в теле пыльцевого зерна во всех районах исследования. У пыльцы в условиях сильного загрязнения более половины пыльцевых зёрен не накапливали крахмал.

Анализ жизнеспособности пыльцы сосны обыкновенной показал полную стерильность мужского гаметофита в условиях сильного загрязнения.  При проращивании такой пыльцы наблюдались только набухание и зернистость цитоплазмы в районе апертуры. Отмечено слабое прорастание пыльцы из относительно чистого района- 21,8% и из фонового древостоя-21,8%. Показатели длины пыльцевых трубок при прорастании пыльцы сосны оказались также вариабельными. Для пыльцевых трубок в загрязнённой зоне составила 198,4мкм и а менее загрязнённой 294,2мкм. В этом же случае чётко прослеживается закономерное уменьшение длины пыльцевых трубок по градиенту загрязнения. При проращивании на питательных средах  пыльцы из сильно загрязняющей зоны формировались короткие пыльцевые трубки. С увеличением возраста деревьев отмечено уменьшение длины пыльцевых трубок: наиболее высокие значения показателя оказались у более молодых деревьев (60-63 года).

Авторами показано, что качество сосны обыкновенной  связано с условиями её прорастания. Полученные данные свидетельствуют о снижении прорастания пыльцевого зерна  у сосны из загрязненных районов. Способность прорастать и образовывать пыльцевые трубки у пыльцы из районов с высокой техногенной нагрузкой оказалась значительно ниже по сравнению с контролем.

Таким образом, стрессовые условия окружающей среды оказывают глубокое влияние на генеративные органы сосны обыкновенной. Параметры, характеризующие пыльцу, подвержены очень сильным колебаниям по годам и тесно связаны с погодно-климатическими условиями в период её формирования. На качество пыльцы сильное влияние оказывает атмосферное загрязнение. В условиях техногенного загрязнения увеличивается число аномальной пыльцы, падает способность пыльцевых зёрен накапливать крахмал. Способность прорастать и образовывать пыльцевые трубки у пыльцы из районов с высокой техногенной нагрузкой оказалась значительно ниже по сравнению с фоновым древостоем, что особенно заметно в благоприятные годы для развития пыльцы (Третьякова, Носкова, 2004).

Процессы образования микроспор и прорастания пыльцы весьма чувствительны к действию химических и физических факторов (Портянко и др., Балина, 1978; Негруцкая, Попов,1977; Бондарь, Частоленко, 1988). В работе В.П. Бессоновой показано, что в условиях загрязнения тяжёлыми металлами фертильность пыльцы снижается. Установлено, что в цветочных почках опытных растений накапливается значительно больше металлов.

Например, у абрикоса обыкновенного, берёзы повислой, ореха грецкого, тополя канадского, яблони домашней, ивы белой, рябины обыкновенной. Стерильность пыльцы исследуемых видов растений в условиях загрязнения среды выражена в процентах к количеству стерильной пыльцы в контроле. Так как процент стерильности пыльцы у различных видов контрольного варианта отличается, то такое выражение данных облегчает сопоставимость результатов по влиянию тяжёлых металлов на этот показатель. Более существенно возрастает стерильность пыльцы по сравнению с контролем у таких видов, как сирень обыкновенная, конский каштан, берёза повислая, абрикос обыкновенный, липа крупнолистая. Наиболее высокие коэффициенты накопления  марганца, хрома и цинка по сравнению с контролем характерны для берёзы повислой, конского каштана обыкновенного, липы обыкновенной и сирени обыкновенной. Эти же виды отличаются и более значительным увеличением стерильности пыльцы. У большинства исследованных видов наблюдается уменьшение размеров пыльцевых зёрен. Существенно они снижаются у сирени обыкновенной, абрикоса обыкновенного и берёзы повислой. Изменение величины пыльцы и связано с нарушением процесса роста деления клеток при формировании первичных клеток археспория и при формировании тетрад микроспор.

В условиях загрязнения среды пыльцевые зёрна растений варьируют в размерах больше, чем у растений незагрязнённой зоне. Наблюдается морфологическая разнокачественность пыльцы, образование сморщенных, разрушенных, гигантских зёрен. Если размеры пыльцы у этого вида в контрольном варианте варьируют незначительно, то в условиях загрязнения среды тяжёлыми металлами наряду с мелкими, размер которых в два раза меньше контрольных, встречаются очень крупные пыльцевые зерна.

Процент прорастания пыльцы на питательной среде ниже, чем процент жизнеспособности клеток, определённых методами окрашивания. Пыльца растений с загрязнённых участков характеризуется более низким уровнем прорастания в сравнении с контролем. Рост пыльцевых трубок также подавлен. В процессе их роста наблюдаются различные аномалии: изгибы, штопорообразные закручивания, вздутия.

В условиях загрязнения среды аэрозоли  металлов оседают на всех частях растения, в том числе и на цветах, что установлено, не только визуально, но и микроскопическими исследованиями. Их подавление на рыльце пестика и пыльцевые зёрна может оказывать влияние на прорастание последних, так как известно, что многие аэрозоли растворимы, а в контакте с растительными тканями их растворимость возрастает (Елпатьевский и др., 1985).

Внесение в среду прорастания пыльцы тяжёлых металлов ингибирует её прорастание. При этом снижается как процент проросшей пыльцы, так и длина пыльцевых трубок. Следовательно, прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок весьма чувствительны к действию тяжёлых металлов.

Таким образом, у растений, произрастающих  в условиях загрязнения среды тяжёлыми металлами, наблюдается нарушение формирования микроспор. Это ведёт к образованию морфологически и генетически разнокачественных пыльцевых зёрен. Выявлена связь между количеством аберраций в мейозе, стерильностью пыльцы, изменением её размеров и накоплением тяжёлых металлов в цветочных почках. Большеё накопление металлов в цветочных почках в зоне сильного загрязнения вызывает более высокую степень отклонений от нормы. Присутствие тяжёлых металлов в среде прорастания пыльцы угнетает её прорастание и рост пыльцевых трубок. Наиболее чувствительны к загрязнению среды процессы формирования пыльцы у сирени обыкновенной, абрикоса обыкновенного, липы крупнолистой, берёзы провислой, о чём свидетельствует наиболее высокий процент стерильности пыльцы и степень изменения ее размеров. Это позволяет рекомендовать пыльцу этих видов для биоиндикации загрязнения среды тяжелыми металлами  (Бессонова, 1992).

Вывод: Растения реагируют на загрязнение окружающей среды снижением своей продуктивности. Известно, что основная доля загрязняющих веществ накапливается в вегетативных органах, но и репродуктивная система – особенно в критические периоды своего развития – также уязвима к воздействию загрязнителей. Негативное действие загрязнителей на репродуктивную систему проявляется в нарушении начальных этапов образования пыльцевых зерен и зародышевого мешка, что приводит к уменьшению таких показателей как фертильность и жизнеспособность пыльцевых зерен.

Глава 2. Характеристика района и объекта исследования.  Методика.

2.1 Характеристика объекта исследования

Мать-и-мачеха обыкновенная (камжужная трава)- Tussilago farfara

Многолетнее травянистое растение с длинным разветвлённым ползучим корневищем. Цветоносные побеги высотой 10- 25 см, опущенные,  неветвистые,  покрытые чешуевидными, прижатыми к стеблю, яйцевидно- ланцентновидными, острыми обычно пурпурно- фиолетовыми  листьями. Листья укороченных вегетативных побегов появляются после цветения; они длинночерешковые, округлосердцевинные, 10-25см в диаметре, угловатые, неравнозуючатые, кожистые, в начале с обоих сторон опущенные, позже сверху голые, а с низу мягкобеловойлочные. Корзинки 2-2,5 в поперечнике, одиночные, цилиндрические, до и после цветения проникающие; листочки обёртки однорядные, ланцетные, заострённые; цветоложе голое, плоское.

Цветки жёлтые; срединные- бесплодные, обоеполые, трубчато- колокольчатые, пятизубчатые, с цельным булавовидным рыльцем; краевые- пестичные, язычковые, длиной 8-10мм, расположенные в несколько рядов, плодущие- с двулопастным рыльцем. Семянки продолговатые, длиной 3,5-4мм, с 5-10 ребрами и хохолком из многочисленных и простых волосков в 4-5 раз длиннее семянок. Размножается семенами и вегетативно. Цветёт в апреле – мае, плоды созревают в мае- июне. Листья мать-и-мачехи содержат гликозид туссилягин, инулин, эфирное масло, дубильные, слизистые и другие вещества, ситостерин, галловую, яблочную, винную и аскорбиновую кислоты, сапонины. Применяют их как отхаркивающее и мягчительное средство при бронхитах и ларингитах. При заготовке мать-и-мачеху можно перепутать с видами рода подбел, или белокопытник, которые отличаются двудомностью, а также строением соцветия. Цветоносный побег у них заканчивается одним или несколькими корзинками, собранными в колосовидное или в колосовидно- метельчатое общее соцветие. Прикорневые листья подбелов сходны с листьями мать -и –мачехи, но крупнее и треугольно-сердцевидной или округло-треугольной формы.  Собирают листья в первой половине лета, когда они сравнительно невелики и с верхней стороны почти голые. Сушат листья на чердаке, в других помещениях или на открытом воздухе (Пыльцына, 2005).

2.2. Характеристика района исследования

Сохраняющийся высокий уровень загрязнений воздуха в 8 городах Свердловской области объясняется значительной сосредоточенностью предприятий; залповыми и аварийными выбросами при нестабильном режиме работы предприятий; увеличением вклада автомобильного транспорта в загрязнении воздушного бассейна городов при низкой рассеивающей способности атмосферы в регионе.

Уровень загрязнения атмосферы в городах Свердловской определяют, главным образом, высокие концентрации взвешенных веществ, диоксида азота, сероуглерода, формальдегида, фенола, акролеина, фтористых соединений,  аммиака, бензапирена, соединений тяжёлых металлов.

Во всех городах Свердловской области, где проводятся регулярные наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха (кроме Асбеста), наблюдается превышение ПДК контролируемых веществ. Среднегодовые концентрации диоксида азота превышали ПДК в 2 городах, формальдегида- в 4 городах , фтористых соединений- в 2 городах, бензапирена - в 3 городах. Наибольшая из среднемесячных  концентраций бензапирена зафиксирована в г. Екатеринбурге (8,7 ПДК). Кроме того, концентрации бензапирена превышали ПДК в Екатеринбурге в 54% наблюдений; в Каменске -Уральском- в 43% наблюдений; в Первоуральске в 42% наблюдений. В  Нижнем Тагиле – по сероуглероду (2,6 ПДК), по фенолу (1,3 ПДК), по аммиаку(1,6 ПДК), по формальдегиду (2,3 ПДК). В Екатеринбурге концентрации превышали ПДК в 40% наблюдений.

Разовые концентрации взвешенных веществ, диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота, сероводорода, сероуглерода, фенола, формальдегида, фтористых соединений, сажи, хлористых соединений, акролеина превышали ПДК почти во всех городах, где велись наблюдения.

Разовые концентрации вредных примесей в атмосфере выше 10 ПДК наблюдались в 2 городах. В Первоуральске зафиксировано высокое загрязнение сероводородом (13,5 ПДК), диоксидом азота (14,1 ПДК);в Каменск-Уральском- фтористыми соединениями(13 ПДК).

Среднесуточные концентрации свинца в 3 городах были выше ПДК. В Первоуральске и Екатеринбурге концентрации свинца превышали ПДК в 13% наблюдений. Среднемесячные концентрации бензола были выше ПДК в Екатеринбурге, Нижнем Тагиле.

По данным за 2010 год в городе Нижнем- Тагиле в атмосферный воздух города поступают загрязняющие вещества от 149 промышленных предприятий, выброс составил 207,512 тыс. т. Неблагоприятное состояние атмосферного воздуха определяют выбросы от таких промышленных предприятий, как  ОАО « Нижнетагильский металлургический комбинат», АООТ «Высокогорский горно- обогатительный комбинат», ГУП «ПО Уралвагонзавод». Перечисленные предприятия вносят вклад в загрязнение атмосферного воздуха города 94,1% (Приложение табл.1)

В атмосферном воздухе города, кроме основных загрязняющих веществ (оксида углерода, диоксида серы и диоксида азота), присутствуют бензапирен, формальдегид, фенол, аммиак, сероуглерод, фториды и легколетучие органические соединения.

В  2015 г. общий объем выбросов загрязняющих веществ в Свердловской обл. (включая  выбросы от ж/д транспорта) составил 1404,5 тыс. т, что на 3,5% меньше соответствующей величины предыдущего года.  В общем объеме доля выбросов от автотранспорта (29,8% от валовых поступления в атмосферу) меньше, чем от стационарных источников.  С 2010 г. суммарная величина поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух снизилась с 1611,4 тыс. т  до 1404,5 тыс. т, т.е.  на 12,8%.  Выбросы от стационарных источников уменьшились на 15,8%, а от автотранспорта – на 5,5%. Основной вклад в суммарные выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников вносят на ОАО «Энел ОГК-5», ООО «Газпром трансгаз Югорск» ОАО «Газпром», ОАО «ЕВРАЗ Качканарский горно-обогатительный комбинат», ОАО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» и др.

(На основании Государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2015 году»)

Так, в 2013 г. ОАО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» «обеспечил» 7 % от суммарного выброса загрязняющих веществ по области, а ОАО «Уралхимпласт» дал 4,7 % . Немалую долю внес и Высокогорский горно-обогатительный комбинат (ЕВРАЗ-ВГОК), который был ликвидирован в 2012 г. Увеличили выбросы в атмосферу в 2013 г. по сравнению с 2012 г. предприятия:

• в связи с увеличением объемов выпуска продукции — ОАО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» – на 3,1 тыс. т (на 4,2 %);
• за счет увеличения объемов накопленных отходов ТБО — ООО «Тагилспецтранс» – на 1,0 тыс. т (на 42,6 %);
• ООО «Элис» (ГО Нижний Тагил) – на 0,1  тыс.т (на 11,4 %). 
  

В одном только 2010 году ОАО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» превысил нормативы предельно-допустимых выбросов: загрязняющих веществ в 16 раз, по гидроксибензолу (фенолу) – в 6,1 раза, по нафталину – в 2,5 раза, по гидросульфиду (сероводороду) – в 2,2 раза, по бензолу – в 2,1 раза. 

(Источник: http://greenologia.ru/eko-problemy/goroda/nizhnij-tagil.html)

Основным загрязнителем атмосферного воздуха в городе является ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (51,0%).

В атмосферу города от него поступает: 64,2% диоксида азота, 19,3% сернистого ангидрида, 50,1% оксида углерода, 100% бензапирена, 90,7% фенола, 85,5% аммиака, 87,6% сероуглерода, 93,2% сероводорода (Приложение табл.3).

Наибольший вклад в выбросы в атмосферу города формальдегида (88,6%) даёт АО «Уралхимпласт», в выбросы сернистого ангидрида (78,5%)- АООТ «Высокогорский горно-обогатительный комбинат»; в выбросы аммиака (85,5%), сероводорода (87,6%) и твёрдых фторидов(61,8%)-ОАО

«Нижнетагильский металлургический комбинат» (Государственный…, 2006).

Характеристика участков исследования

Для определения качества пыльцы мать-и-мачехи нами были выбраны 7 участков в зависимости от загрязненности почв территории г. Нижний Тагил и близости их к промышленным предприятиям.

1. Посёлок Уралец, расположен в 20 километров от города. Был выбран в качестве чистого участка.

2. Красный Камень, участок на территории города со среднем уровнем загрязнения.

3. Ленинградский проспект (расположен в Дзержинском районе, где располагаются корпуса Уралвагонзавода).

4. Участок, расположенный в районе Строительного техникума (центр города).

5. Участок расположен на территории цеха переработки шлаков НТМК.

6. Отвалы, расположенные на территории НТМК.

7. Дорога, проходящая по территории НТМК.

Суммарный показатель загрязнения почв на участках представлен в таблице 1 (Тимохина, Шилова, 2008).

Таблица 1

Показатель загрязнения почв

Исходя из данных таблицы, допустимый уровень загрязнения почвы установлен на трёх участках: п. Уралец, Красный Камень и Строительный техникум. Средний уровень загрязнения почвы отмечен на участках Ленинградский пр., ЦПШ и отвалы НТМК. Почва территории НТМК относится к сильно загрязненным.

2.3. Методика исследования

Для определения качества пыльцы на каждом исследуемом участке было собрано по 20 растений мать-и-мачехи. В лабораторных условиях у свежесобранной пыльцы определяли фертильность, размеры и жизнеспособность.

Метод определения фертильности пыльцы.

Определения пыльцы проводилось с 20 растений мать-и-мачехи на каждом участке. Фертильность пыльцы определялась по стандартной ацетокарминовой методике (Паушева,1980). С цветка стряхивалась пыльца на предметное стекло. На пыльцу капалась капля ацетокармина и накрывалась покровным стеклом. Препарат подогревался на спиртовке. В трех полях зрения микроскопа подсчитывалось количество окрашенных (фертильных) и неокрашенных (стерильных) пыльцевых зёрен.

Методика определения размеров пыльцы

Размеры пыльцы определялись с помощью окуляр-микрометра. У каждого растения определялись размеры 10 пыльцевых зёрен.

Метод определения жизнеспособности пыльцы.

Для определения жизнеспособности пыльцы использовали метод висячий капли (влажной камеры). Для этого на покровное стекло капали каплю 10% глюкозы, на нее стряхивали свежесобранную пыльцу.

На предметное стекло  помещали кольцо из пластилина, в центр которого капали каплю воды, которая поддерживала влажность будущей камеры. Переворачивали покровное стекло с пыльцой на кольцо (герметичная камера). Через определенные промежутки времени (1, 2, 6 и 24 часа) оценивали жизнеспособность пыльцы.

Глава 3. Качество пыльцы мать-и-мачехи в условиях загрязнения окружающей среды

Для оценки качества пыльцы мать-и-мачехи, прорастающей в условиях загрязнения окружающей среды, нами были изучены следующие показатели:

 фертильность, жизнеспособность и размеры пыльцевых зёрен.

         Фертильность пыльцы.

 Фертильность пыльцы мать-и-мачехи на всех исследуемых участках была высокой и изменялась от 31% до 100% (табл. 2).      

Таблица 2.

Фертильность пыльцы %

Изучена зависимость данного показателя от уровня загрязнения на участках (рис. 3).

Рис.3. Зависимость фертильности пыльцы от условий загрязнения окружающей среды.

Отмечено снижение фертильности пыльцы при увеличении  загрязнения на участках. Максимальное значение отмечено в посёлке Уралец и на Красном Камне составляет в среднем 99%. На участке со среднем уровнем загрязнения (Ленинградский проспект и Строительный техникум) фертильность пыльцы 93-94%.

На участках, расположенных на территории НТМК, фертильность пыльцы изменилась от 91,21% до 81,99%.

Размеры пыльцы

Были изучены размеры пыльцы мать-и-мачехи в условиях загрязнения окружающей среды (табл.3).

 Таблица 3.

Размеры пыльцы мать-и-мачехи, мкм.

Средние значения размеров пыльцевых зёрен показаны на рисунке 4.

Рис.4. Зависимость размеров пыльцы от загрязнения территории.

Размеры пыльцы мать-и-мачехи на всех территориях составляют в среднем   28-36 мкм и не зависят от уровня загрязнения участков.

 Количество апертур «воздушных мешков» пыльцевого зерна

Пыльца мать-и-мачехи в норме характеризуется наличием 3-х «воздушных мешков» - апертур. Апертура – это выросты цитоплазмы, через которые происходит рост пыльцевой трубки.

Средние значение числа пыльцы с разным количеством апертур представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Количество пыльцевых зерен с разным числом апертур

      Из таблицы видно, что на более загрязнённых участках увеличивается количество пыльцевых зёрен с двумя и одной апертурой, а так же без них. Этот показатель возрастает до 35%. Апертура - тонкая или перфорированная часть поверхности пыльцевого зерна, служащая местом выхода пыльцевой трубки. От их количества зависит вероятность прорастания пыльцевого зерна.

Жизнеспособность пыльцы

Жизнеспособность пыльцы мать-и-мачехи определяли методом висячей капли с использованием 10% ой глюкозы. В ходе исследования установлено, что пыльца мать-и-мачехи на всех участках исследования не прорастает, что может быть объяснено биологией данного вида. Размножается мать-и-мачеха за счет отрезков и обломков её хрупких корневищ. Каждый участок корневища с 1–2 почками при обламывании быстро отрастает и дает начало новой особи. Именно за счет корневищ мать-и-мачеха образует плотные заросли, занимающие по нескольку квадратных метров и полностью закрывающие листьями почву.

Помимо деления корневищем, мать-и-мачеха размножается семенами. Каждое растение образует от 5000 до 17000 семянок. Разнесенные ветром они захватывают новую территорию. Попадая на влажную почву, семянки прорастают в первые  сутки.

Заключение

Таким образом, у растений, произрастающих в условиях загрязнения среды, наблюдается нарушение формирования микроспор, что ведёт к образованию морфологически и генетически разнокачественных пыльцевых зёрен. В ходе проведения исследования качество пыльцы мать-и-мачехи были сделаны следующие выводы:

1.Фертильность пыльцы снижалась  при увеличении загрязнения  на участках.

2. Размеры пыльцы не изменялись при разном уровне загрязнении.

3. Наблюдалось уменьшение количества пыльцевых зёрен с 3-мя апертурами и их увеличение с меньшим числом апертур.

4. В данном исследование пыльца мать-и-мачехи  не жизнеспособна.

На основании данных эксперимента можно рекомендовать использование пыльцы мать-и-мачехи в качестве индикатора качества среды.

Проделав, эту работу я научилась многому: определять фертильность, жизнеспособность, рассчитывать размеры пыльцевых зёрен с помощью окуляр-микрометра, рассчитывать среднее и среднеквадратичное отклонение, проращивать пыльцу.  В дальнейшем я бы хотела продолжить эту работу и определить на фертильность и жизнеспособность пыльцу одуванчика.

Список литературы

1. Антипов В.Г., Болотов Н.А. Отношение видов пихты к загрязнению промышленными газами. Защитное лесоразведение и лесные культуры. Вып.4. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1977.С. 15-21.

2. Балина Н.В. Действие повышенных температур на рост пыльцевых трубок. // Физиология растений. №4, 23, 1976. С. 805-811.

3. Бессонова А.И.Состояние пыльцы как показатель загрязнения среды тяжёлыми металлами.//Экология. № 4, 1992.С.45-50

4. Бондарь Л.М., Частоколенко Н.В. Цитогенический анализ популяций в зоне действия линий высокого напряжения.//Экология. № 6, 1988. С. 20-24.

5. Голубинский И.А. Биология прорастания пыльцы. Киев «Наукова Думка», 1974. 362 с.

6. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Свердловской области. Екатеринбург, 2004.

7. Негруцкая Г.М., Попов В.А. Воздействие фитотаксикатов на пыльцу сосны обыкновенной. – III съезд Всесоюзного общества генетиков и селекционеров имени А.И.Вавилова,Л, 1977,с 365-366

8. Паушева В.М. Практикум по цитологии растений М.: Колос, 1980.304с.

9. Подзоров Н.В. Влияние задымления воздуха на качество семян сосны обыкновенной.// Лесное хозяйство. № 7, 1965.С.47-49.

10. Поддубная – Арнольди В.А. Цитоэмбриология покрытосеменных растений М.: Наука, 1976. 496 с.

11. Портянко В.Ф., Попившая В.В., Костина А.Б. Влияние ультрафиолетовой радиации на прорастание и рост пыльцевых трубок.//Физиология и биохимия культурных растений. № 1, 10, 1978.С.86-92.

12. Пыльцына Е. Ваш домашний травник. Ростов-на-Дону, 2005.

13. Тимохина О.А., Шилова Л.В. Состояние пыльцы мать-и-мачехи в условиях агрянения среды // Биосфера Земли. Мат. конф. Молодых ученых. Екатеринбург, 2008. С. 265-267.

14. Третьякова И.Н., Носкова Н.Е. Пыльца сосны обыкновенной в условиях экологического стресса.//Экология. №1, 2004.С.26-33

15. Федорков А.Л. Изменение в мужской генеративной сфере сосны при аэротехногенном загрязнением.//Эколого-географические проблемы сохранения и восстановления лесов Севера. Архангельск,1991.296с.

16. Федотов И.С., Карабань Р.Т., Тихомиров Ф.А. и др. Оценка действия двуокиси серы на сосновые насаждения. Лесоведение. № 6, 1983.С.23-27.

17. Шкарлет О.Б. Влияние дымовых газов на формирование репродуктивных органов сосны обыкновенной. Свердловск, 1974. 27с.

18. (http://apicultura.kirov.ru).