Содержание к диссертации
Общая характеристика работы 5
Воздействие радиоактивного загрязнения на лесные биогеоценозы 11
Общая характеристика природных условий Южного Нечерноземья РФ 32
Объекты, материал и методы исследования 37
Методика исследования ботанико-экологических особенностей объекта ...37
Гамма- спектрометрический метод 39
Цитогенетический метод 40
Методы статистической обработки материалов 43
Объекты исследования 44
4 Морфологическое разнообразие и репродуктивная активность брусники
обыкновенной в различных условиях радиоактивного загрязнения 50
Изменчивость биометрических показателей побегов 50
Изменчивость морфометрических показателей листьев 60
Формовое разнообразие плодов 75
Жизнеспособность пыльцы 85
Стерильность пыльцы при разных уровнях загрязнения радионуклидами ..90
5 Цитологический анализ популяций брусники обыкновенной 94
5.1 Цитологический анализ клеток меристемы 94
Митотическая активность 95
Анафазная активность 101
Основные типы и количество нарушений хромосом 107
Относительная продолжительность фаз митоза и количество анафаз с нарушениями хромосом 117
5.2 Цитологический анализ генеративных органов 123
Анализ нарушений мейоза в 2003 г 127
Анализ нарушений мейоза в 2004 г 136
6 Гамма - спектрометрический анализ почвы и фитомассы брусники обыкно
венной 146
МЭД и УА радионуклидов почвенных образцов 146
МЭД, УА, Кп иКн радионуклидов в фитомассе в 2002 г 150
МЭД, УА, Кп и Кн радионуклидов в фитомассе в 2003 г 158
МЭД, УА, Кп и Кн радионуклидов в фитомассе в 2004 г 165
Зависимость УА Cs в фитомассе от МЭД 171
Влияние мохового покрова на накопление Cs листьями 176
Сезонная динамика накопления 137Cs в свежих ягодах 179
Выводы и рекомендации 182
Список использованных источников 184
Приложения 211
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Лесные экосистемы России, богатые дикорастущими кустарничками, выступают в роли своеобразных аккумуляторов радионуклидов, выпавших в результате катастрофы на ЧАЭС (1986).
Усиливающееся действие антропогенных, в том числе и радиационных нагрузок, привело к осознанию необходимости сохранения биологических ресурсов. На международной Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992) принята «Конвенция о биологическом разнообразии». В РФ основные положения Конвенции отражены в программе «Биологическое разнообразие лесов России» (1995) и в Федеральной целевой программе «Леса России» (1997). Успешной реализации программы будет способствовать так же изучение дикорастущих пищевых растительных ресурсов леса, особенно в условиях радиоактивного загрязнения. К таким мало изученным, но весьма ценным пищевым растениям относится брусника обыкновенная.
Брусника обыкновенная (Vaccinium vitis-idaea L.) - вечнозеленный кустарничек семейства вересковые (Ericaceae Juss.), используется в пищевой, кожевенной промышленностях, в медицине, парфюмерии, в садово-парковом хозяйстве, а так же как хороший медонос.
Исследование по теме проведено в процессе выполнения госбюджетной темы (2000...2004 гг., № госрегистрации - 01200003995) «Теоретические исследования закономерностей роста, развития и биоразнообразия лесных экосистем в условиях хронического радиоактивного и другого загрязнения окружающей среды» (наряд - заказ Госкомитета по высшему образованию и Министерства образования и науки РФ), а также темы Брянской государственной инженерно-технологической академии «Изучение изменчивости лесных и декоративных растений с целью отбора наиболее ценных форм для лесохозяйственного производства и садово-паркового строительства», которая входит в Федеральную целевую программу «Леса России».
Цель НИР - в условиях радиоактивного загрязнения лесных экосистем Южного Нечерноземья РФ исследовать морфологическое разнообразие брусники обыкновенной, ее митотическую и мейотическую активность, продолжительность отдельных фаз митоза, основные типы хромосомных нарушений, жизнеспособность пыльцы, связь мощности экспозиционной дозы (МЭД) и удельной активности (УА) радионуклидов в почве и фитомассе, определить переход и накопление радионуклидов в фитомассе, влияние мохового покрова на УА 137Cs в листьях и ее динамику в свежих ягодах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследовать влияние радиоактивного загрязнения на морфологическое разнообразие брусники обыкновенной.
Проанализировать митотическую активность апикальных меристем корешков, хромосомные аберрации и нарушения деления соматических клеток; особенности мейоза и уровень нарушений хромосом.
Изучить жизнеспособность пыльцы при разной МЭД.
Определить УА, Кп и Кн основных радионуклидов в почве и различных органах брусники, а так же зависимость УА 137Cs в фитомассе от МЭД.
Установить влияние мохового покрова на УА137Сб в листьях, а так же проследить сезонную динамику yA137Cs в свежих ягодах.
Объекты и объем исследования. Объектами изучения (2001...2004гг.) явились природные популяции брусники обыкновенной на 7 пробных площадях (ПП) с разной ПЗП: в Кировском лесничестве Кировского лесхоза Калужской области (МЭД=18,4±2,76 мкР/ч и 16,7±2,51 мкР/ч, контроль), в Новозыб-ковском (МЭД=110,2± 16,53 мкР/ч и 96,2±14,43 мкР/ч) и в Софиевском (МЭД= 85,1±12,77 мкР/ч) лесничествах Злынковского лесхоза Брянской области. Изготовлено и проанализировано около 3500 цитологических препаратов апикальных меристем корешков и 2060 препаратов пыльников, определена жизнеспособность (15165) и фертильность (14127) пыльцевых зерен. Для гамма-спектрометрического анализа собраны, подготовлены исследованы образцы: почвы-1500, листьев- более 7000, ягод- 6850, стеблей- более 6000 и корней- 5750. Изу-
чены количественные признаки 11000 листьев, 9000 побегов, 10000 плодов. Вся экспериментальная информация проанализирована статистически.
Научная новизна. Впервые показано, что радиоактивное загрязнение лесных земель при МЭД=85,1±12,8; 96,2±14,4; 110,2±16,5мкР/ч существенно не влияет на изменчивость выделенных форм брусники по габитусу растений, величине и форме листьев, плодов. Однако отмечена высокая достоверная отрицательная связь освещенности с длиной побега (г=-0,920±0,034...-0,961±0,045), с шириной листьев (г=-0,454±0,06...-0,555±0,04) и их длиной (г=-0,671±0,03...-0,767±0,04). При высоких МЭД митотический индекс (МИ) в корешках проростков существенно (в 1,2...1,3 раза) уменьшен. Увеличена изменчивость (С, %) МИ (в опыте- средняя, в контроле- низкая), что может говорить о мутационной активности и усилении адаптации брусники. Анафазный индекс (АИ) в 1,1...1,2 раза меньше контроля, т.е. сокращена продолжительность анафазы. В целом С(%) АИ- низкий в опыте и в контроле. Увеличена продолжительность профазы, метафазы, телофазы митоза. В 2 раза возросло количество патологических митозов (ПМ). Достоверно увеличено количество анафаз с хромосомными мостами (в 3,0...4,5 раза), фрагментами (в 2,5...11,5 раза), отставанием хромосом (в 2,8...6,4 раза), выходом хромосом за пределы веретена деления (в 1,2...1,4 раза), одновременным выходом и отставанием хромосом (в 1,3...1,6 раза), другими аномалиями (в 1,2... 10,2 раза). При высоких МЭД количество аномальных клеток мейоза в 3...5 раз выше контроля. В 2...3 раза увеличено число анафаз-телофаз I и анафаз-телофаз II с хромосомными мостами, фрагментами, отставанием хромосом, выходом хромосом вперед, с другими аномалиями. В анафазе-телофазе I число аберраций почти в 1,5 раза выше, чем в анафа-зе-телофазе П. В 1,1...1,4 раза понижена жизнеспособность пыльцы, в 3...4 раза увеличено количество стерильных зерен. В гамма-спектрах образцов почвы, фитомассы брусники обнаружены техногенные долгоживущие радионуклиды (137Cs, 134Cs), а так же линии естественного радиоизотопа- 40К, но в контроле Cs отсутствует. УА137Сб существенно выше контроля: в листьях- в 140, в стеблях и корнях- в 80, в ягодах- в 40 и более раз. yAl34Cs в 200...300 и более
раз ниже YA137Cs. На всех ПП и в контроле максимальное накопление 137Cs отмечено в листьях, меньше- в стеблях и корнях, еще меньше- в ягодах. Уста-
1 "3*7
новлена достоверная положительная связь между МЭД и УА Cs в листьях (г= +0,99±0,014, 1фа1п>1табл,Р=99%), стеблях (г=+0,99±0,023), ягодах (г=+0,96± 0,0195), корнях (r=+0,98±0,0184): t<|,aicT>t^, Р=95%. Кп и Kh137Cs превышают контроль: в листьях- в 3...4 раза, в стеблях и корнях- в 2...3 раза. В ягодах Кп не отличался, а Кн в 1,2... 1,4 раза выше контроля. С увеличением проективного
1 ^7
покрытия мхов (до 70...80%) увеличивается (в 1,5...2 раза) УА и Кп Cs в
листья. В свежих ягодах брусники максимальные УА, Кп и Кн Cs зафиксированы в июле, минимальные- в сентябре.
Практическая значимость. Полученные результаты рекомендуется использовать при ведении мониторинга за пищевым и лекарственным сырьем брусники обыкновенной, сборе сырья населением, в качестве тест-объекта в ци-томониторинге. Интересные формы из практически чистых мест обитания целесообразно размножать для пищевых целей и озеленении.
Достоверность результатов и обоснованность выводов основываются на 4-летних исследованиях автора в различных зонах радиоактивного загрязнения, в том числе и в зоне отчуждения, а так же в лаборатории; применении различных методов исследования- сравнительно- морфологического, цитогенети-ческого, гамма - спектрометрического, статистического с широким использованием современных компьютерных технологий.
На защиту выносятся следующие положения:
Несмотря на существенные нарушения в хромосомах, не установлено достоверного влияния ионизирующего излучения на рост и развитие вегетативных органов брусники. Однако отмечена существенная отрицательная связь освещенности с длиной побега, шириной и длиной листа.
Ионизирующее излучение существенно ингибирует митотическую и анафазную активность клеток, увеличивает (в 2 раза) количество ПМ, а так же анафаз с хромосомными мостами (в 3...4,5 раза), с фрагментами (в 2,5...11,5 раза), с отставанием хромосом (в 2,8...6,4 раза), с выходом хромосом вперед (в
1,2...1,4 раза), с одновременным отставанием и выходом хромосом за пределы веретена (в 1,3...1,6 раза), с другими аномалиями (в 1,2...10,2 раза); повышает продолжительность профазы, метафазы, телофазы, но снижает продолжительность анафазы митоза; увеличивает количество патологических мейозов (в 3...5 раз), а так же (в 2...3 раза) количество анафаз-телофаз I и II с хромосомными мостами, фрагментами, отставанием хромосом, выходом хромосом вперед, другими аномалиями. В целом для микроспорогенеза брусники характерен симультанный тип образования тетрад и тетраэдрический тип их расположения, свойственна асинхронность.
Радиоактивное воздействие достоверно снижает жизнеспособность (в 1,1... 1,4 раза) и увеличивает стерильность (в 3...4 раза) пыльцы брусники.
Основными фонообразующими радионуклидами являются долгоживу-щие: 137Cs, 134Cs. УА, Кп и Kh137Cs в ягодах, листьях, корнях, стеблях зависят от УА почвы. Максимальная УА, Кп и Кн Cs зафиксированы в листьях, меньше в стеблях и корнях, минимальная- в ягодах. При высокой МЭД и УА почвы УА
Cs выше контроля: в ягодах (в 40 и более раз), в листьях (в 140 и более раз), в
стеблях и корнях (в 80 и более раз). Кп и Кн Cs увеличен в листьях- в 3...4 раза, стеблях и корнях- в 2...3 раза; в ягодах- Kh137Cs- в 1,2... 1,4 раза, Kn137Cs- на уровне контроля.
С повышением проективного покрытия мха (до 70...80 %) увеличи-вается (в 1,5...2 раза) УА и Кп Cs в листья.
Максимальная УА, Кп и Кн Cs в свежих ягодах зафиксирована в июле, минимальная- в сентябре.
Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертации докладывались на международных научно-производственных конференциях «Современные технологии воспроизводства целевых лесов в Юго-Западном регионе центральной части России» (Брянск, 2002), «Лесоведение, экология и биоресурсы» (Брянск, 2003), «Брянщина- родина отечественного и мирового высшего лесного образования» (Брянск, 2005), «Чернобыль- 20 лет спустя. Социально-экономические проблемы и перспективы развития пострадавших территорий»
(Брянск, 2005), «Проблемы лесоведения и лесоводства» (Гомель, 2006), на региональных конференциях «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику» (Брянск, 2000, 2001). По материалам диссертации опубликовано 11 научных статей, 2 из них в «Лесном журнале». Материалы диссертации использованы в электронном учебном издании «Экология и экономика природопользования Брянской области» (Брянск, 2003).
Личный вклад автора. Автор разработал программу и методику исследований, произвел закладку полевых объектов и постановку лабораторных экспериментов, сделал анализ полученных результатов. Статьи, научные доклады подготовлены самостоятельно и в соавторстве.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 6 глав, выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 260 наименований, в том числе 18- иностранных авторов, приложения. Основной текст изложен на 183 страницах в Word, включает 33 таблицы, 57 рисунков.
