СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АГРОБИОЦЕНОЗА В ЗОНЕ АНТРОПОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C12Q1/30 G01N33/00 A01G23/00 

Изобретение относится к экологии санитарии лесных агробиогеоценозов и предназначено для санитарно-гигиенического тестирования состояния лесных экосистем и прогнозирования динамики их развития в зонах техногенного загрязнения различными по химической природе поллютантами, в том числе отходами жизнедеятельности птицефабрик и свинокомплексов.

Известен "Способ определения и прогнозирования санитарно-гигиенического состояния почвы в зоне промышленного свиноводства" (см. Патент РФ №2129160, C12Q 1/02. Опубл. 20.04.99. Бюл. №11). При хорошей достоверности результатов по такому способу.

Указанный способ не отражает состояния главных компонентов лесных экосистем - растений, произрастающих на загрязненной территории.

Известно также, что загрязнение среды наиболее сильно влияет на хвойные растения. Характерными признаками неблагополучия состояния окружающей среды и газового состава атмосферы является появление хлорозов и некрозов, уменьшение размеров хвои, побегов текущего года и прошлых лет, их толщины, размера и числа заложившихся почек. Наблюдается утолщение самой хвои, уменьшается продолжительность ее жизни. Все эти признаки в совокупности дают довольно объективную картину. Хвойные удобны тем, что могут служить биоиндикаторами круглогодично. Кроме того, использование хвойных дает возможность проводить биоиндикацию на больших территориях. В лесоведении и разработана система оценки состояния окружающей природной среды по комплексу признаков хвойных, используются не только морфологические показатели, которые весьма изменчивы, но и ряд биохимических изменений. В системе особое место занимает главный показатель ассимиляционных процессов в вегетативных органах - уровень содержания хлорофилла, но в хвое сосны обыкновенной, произрастающей в техногенных зонах, этот показатель может значительно варьировать, причем он не всегда бывает ниже в зонах загрязнения по сравнению с таковым у деревьев, произрастающих в экологически благоприятных районах. Последнее обусловлено компенсаторными механизмами гомеостаза, обеспечивающего выживание растений в неблагоприятных условиях. Механизмы гомеостаза в первую очередь проявляются в интенсивности процессов метаболизма, и поэтому для повышения точности прогнозов оценки состояния антропогенного влияния на лесные массивы необходимы дополнительные уточняющие показатели. Задачей изобретения является разработка способа дополнительной оценки прогнозирования состояния агробиогеоценозов, в частности, в зонах загрязнения аэрополлютантами промышленных и птицеводческих объектов, с помощью которого возможно было бы тестировать агроэкосистемы, функционирующие в контаминированных природных средах. При этом анализы должны проводиться в условиях имеющихся химических лабораторий, с использованием специалистов средней квалификации на обычном лабораторном оборудовании и при получении результатов высокой достоверности с минимальными затратами труда и средств на проведение анализов.

Задача решается тем, что в качестве экспресс тест анализов дополнительно определяют активность фермента каталазы в образцах хвои, взятых параллельно в зонах антропогенного воздействия и условно чистого участка, расположенных в одинаковых природных условиях. В этих же образцах определяют содержание хлорофилла, после чего проводят вычисления, определяя отношения показателей содержания хлорофилла в хвое сосны к показателям активности каталазы в них, косвенно указывающих на соотношение процессов ассимиляции и диссимиляции в тканях (на интенсивность процесса метаболизма в них).

Новизной изобретения является то, что степень адаптации деревьев к техногенной нагрузке предложено определять не по изменению отдельных показателей гомеостаза, а по изменению соотношения наиболее значимых показателей последнего.

Оценку интенсивности метаболизма в ассимиляционных органах сосны обыкновенной предлагается осуществлять путем сопоставления данных о процессах накопления органического вещества и разложения последнего. При этом в качестве объективного показателя процесса ассимиляции в хвое сосны обыкновенной используют уровень содержания хлорофилла в ней, косвенно отражающий интенсивность накопления органической массы. О степени скомпенсированности противоположно направленного процесса диссимиляции органического вещества в хвое сосны обыкновенной различных техногенных территорий предложено судить по активности ферментов оксидоредуктаз, участвующих в процессах разложения. В частности, по ферменту каталаза, участвующему в процессах разложения перекисных соединений, образующихся при анаболизме в тканях ассимиляционных органов растений. При этом показатели активности каталазы в хвое сосны обыкновенной использованы в качестве биоиндикаторов на степень воздействия аэрогенных поллютантов на агробиогеоценозы техногенных зон.

Причем при исследованиях необходимо учитывать гидротермические условия вегетационного периода, которые в разные годы бывают различными. Поэтому для проведения объективной оценки влияния антропогенного воздействия на уровень метаболических процессов в хвое сосны обыкновенной введен дополнительный коэффициент, показывающий соотношение процессов ассимиляции и диссимиляции в хвое сосны обыкновенной.

В качестве коэффициента интенсивности метаболизма (КИМ) принято отношение показателя содержания хлорофилла (мг/1 г) в хвое сосны обыкновенной к показателю активности каталазы (см³O₂^1г/_2мин) в этом же субстрате.

Где:

а - численное значение содержания хлорофилла в 1 г абсолютно сухой хвои;

в - значение активности каталазы в 1 г абсолютно сухой хвои.

Введение коэффициента метаболизма в тканях ассимиляционных органов сосны обыкновенной позволяет выявить в них закономерное возрастание интенсивности обменных процессов, что характеризует направленность гомеостаза на восстановление нарушений в биологических системах, вызванных влиянием аэротехногенных поллютантов.

Способ осуществляют следующим образом.

На обследуемом объекте намечают деревья для отбора проб. Ветви однопородных и одновозрастных деревьев хвойных срезаются на высоте не менее 2 м с части кроны, примыкающей к зонам с загрязненным воздухом. Отбор образцов на пробной площади (ПП) проводят в пяти точках, расположенных по диагонали, в трех повторностях на каждом дереве. Указанные параметры приняты по результатам многочисленных практических опытов как обеспечивающие требующуюся точность прогноза.

Взятые образцы упаковывают и доставляют в лабораторию для проведения анализов на содержание в хвое хлорофилла и активности фермента каталазы, которую определяют газометрическим методом, основанном на учете кислорода, выделившегося в результате каталитического действия измельченной ткани хвои на перекись водорода с использованием каталазника, в который помещают 1 г исследуемой хвои, 500 мг углекислого кальция, стаканчик с 5 мл 3% перекиси водорода и плотно закрывают каучуковой пробкой, соединенной с бюреткой (см. ход анализа).

Для определения газометрическим методом активности каталазы используют следующие реактивы:

1. 3% раствор перекиси водорода;

2. СаСО₃.

Ход анализа: Навеску измельченной хвои 1 г внести в колбу емкостью 100 мл, добавить 0,5 г СаСО₃. Осторожно на дно колбы поставить пинцетом стаканчик с 5 мл 3%-ного раствора перекиси водорода. Колбу плотно закрыть пробкой, имеющей трубку, соединенную через тройник, снабженный зажимом или краном, с бюреткой. Последняя сообщается с грушей. Бюретка и груша заполнены водой. Уровень воды в бюретке и груше уравновешивают и грушу закрепляют на определенной высоте. Закрывают кран. Нужно следить, чтобы уровень воды в бюретке оставался неподвижным, что свидетельствует о достижении температурного равновесия в приборе и комнате.

Начало опыта отмечают по секундомеру в тот момент, когда стаканчик с перекисью водорода опрокидывается и вслед за этим встряхивается содержимое колбы. Взбалтывание смеси следует продолжать во время опыта, не касаясь непосредственно колбы руками. Выделяющийся кислород вытесняет из бюретки воду, уровень которой необходимо отметить. Контролем служит стерилизованная сухим жаром хвоя.

Количество выделившегося молекулярного кислорода учитывается при температуре 18-20°С через 30 с в течение 1-2 минут.

Активность каталазы выражается в миллилитрах кислорода, выделившегося на 1 г хвои за определенный промежуток времени (2 минуты).

Ошибка определения допускается до 5%.

Метод определения хлорофилла фотометрически основан на извлечении хлорофилла из листа растворителями (спирт, ацетон) и его определении на фотоэлектроколориметре или спектрофотометре. Определение хлорофилла в хвое сосны проводится на свежем материале.

Для работы берут навеску 1 г хвои. Предварительно определяют влажность хвои. Навеску растительного материала тщательно измельчают в фарфоровой ступке с битым стеклом, добавляя мел или углекислый магний. Извлечение из растительного материала проводят 90%-ным спиртом.

К растертому растительному материалу прибавляют растворитель и материал продолжают растирать вместе с растворителем.

В колбе Бунзена в отверстие пробки укрепляют стеклянный фильтр (диаметр фильтра должен соответствовать количеству исследуемого материала). Колбу соединяют с насосом и производят просасывание жидкости. В ступку приливают растворитель и вновь растирают в течение минуты, затем переносят на фильтр всю растительную массу, уплотняют ее палочкой и отсасывают. Промывание ведут до тех пор, пока стекающий раствор не станет бесцветным. Затем экстракт переносят в мерную колбу на 50 мл, ополаскивая несколько раз Бунзеновскую колбу и выливая в мерную. Вытяжку доводят до черты растворителем.

Колориметрирование раствора производят на фотоэлектроколориметре с красным светофильтром (ФЭК-56М). Если жидкость окрашена в интенсивно зеленый цвет, ее необходимо разбавить, так как при больших концентрациях величины на ФЭКе могут выходить за пределы разрешающей способности прибора.

Для пересчета хлорофилла на стандартные величины используют раствор Гетри, который готовится следующим образом:

1) 1%-ный раствор CuSO₄·5H₂O (берут только синие кристаллы),

2) 2%-ный раствор К₂Cr₂O₇,

3) 7%-ный раствор аммиака (на 7 мл 18% аммиака надо взять 11 мл воды).

Для изготовления стандарта в мерную колбу емкостью 100 мл точно отмеривают растворы (CuSO₄·5H₂O - 28,5 мл, К₂CrO₇ - 50 мл, NH₄OH - 10 мл), доводят дистиллированной водой до метки и перемешивают.

Раствор Гетри по окраске колориметрически эквивалентен раствору кристаллического хлорофилла, по содержанию последнего 85 мг/л.

Методом разбавления стандартного раствора строят калибровочную кривую, где по оси абсцисс откладывают содержание хлорофилла (мг/л), а по оси ординат - оптическую плотность. Калибровочную кривую строят от 0,085 мг/л (1 мл исходного раствора и 99 мл воды) до 7,65 мг/л (90 мл исходного раствора и 10 мл воды).

Измерения на ФЭКе производят несколько раз, вычисляя среднее. По полученным данным определяют концентрацию хлорофилла в опытных образцах по калибровочной кривой. Затем вычисляют количество хлорофилла в процентах.

Предложенное определение интенсивности метаболизма (КИМ) в тканях хвои сосны обыкновенной осуществляют по приведенной выше формуле.

Пример 1. Оценка состояния агробиогеоценозов в зонах промышленного загрязнения Полевского криолитового (ПКЗ) и Среднеуральского медеплавильного (СУМЗ) заводов на удалении 1,5-2,0 км от источников загрязнения в сторону господствующей розы ветров (северо-восточное направление). Контроль: 26 км от ПКЗ и 24 км от СУМЗа.

Пробы хвои отбирались согласно приведенным выше правилам в 3-х повторностях.

1. Результаты исследования по оценке состояния агробиогеоценозов в зонах влияния ПКЗ и СУМЗА путем определения активности каталазы и содержания хлорофилла в хвое сосны обыкновенной у деревьев, произрастающих вблизи от заводов, анализировали методом сравнения данных, полученных на исследуемых и контрольной пробных площадях (табл.1). Степень деградации агробиогеоценозов определяли по изменению этих показателей по отношению к контролю, обусловленному адаптацией древесных растений к поллютантам. Полученные данные (табл.1) свидетельствуют о возрастании напряженности адаптационных процессов по мере усиления загрязнения.

Таблица 1Результаты определения показателей гомеостаза в хвое сосны при различном уровне загрязнения аэротехногенными поллютантамиПоказателиУсл.-контр.Импактная зона ПКЗИмпактная зона СУМЗОтношение показателей метаболизма*Возраст хвои1 г. жизни2 г. жизни1 г. жизни2 г. жизни1 г. жизни2 г. жизниПКЗ
1 г. 2 г.СУМЗ
1 г. 2 г.Хлорофилл "а", мг/г2,011,71,91,581,851,450,940,930,90,85Каталаза, см³О₂^1г/_2мин26,43120,422,016,517,50,810,710,630,56КИМ0,0760,0550,0930,0720,1120,0831,221,311,471,51Возрастание КИМ с усилением загрязнения  22%31%47%51%    * Отношение показателей метаболизма хвои 1 и 2 года жизни в импактных зонах к показателям на условно контрольной ПП**.** Условно-контрольная пробная площадь (ПП) на расстоянии 26 км от ПКЗ.Импактная зона ПКЗ - на расстоянии 1,5-2 км от завода.Импактная зона ПРПУ - на расстоянии 2 км от СУМЗа, гора Магнитка.

Так, согласно представленным данным (в табл.1) содержание хлорофилла в хвое сосны обыкновенной в импактных зонах составляет 85-94% от такового на условно-контрольной пробной площади (ПП). Активность каталазы также снижена в импактных зонах по сравнению с условно-контрольной пробной площадью и составляет 56-81% активности фермента в хвое сосны обыкновенной у деревьев, произрастающих в более благополучных экологических условиях. Однако соотношения этих показателей (КИМ) указывают на усиление процессов обмена веществ в зонах техногенного загрязнения по сравнению с таковым в условно-контрольной пробной площади, причем чем выше уровень загрязнения, тем более значимы отличия в интенсивности метаболизма в техногенных зонах по сравнению с контролем. Следовательно, для оценки состояния сосновых агробиогеоценозов более целесообразно использовать в качестве биоиндикаторов загрязнения окружающей среды выведенные на основе наблюдений коэффициенты: отношения показателей, отражающих процессы жизнедеятельности биологических систем (предложенный КИМ).

Преимущество вводимого биоиндикатора (КИМ) по сравнению с ранее используемыми (хлорофилл, каталаза, полифенолоксидаза и другие) заключается в более объективной оценке состояния ассимиляционных органов сосны обыкновенной в техногенных зонах, чем по отдельным показателям. Так, приведенные в табл.1 значения данного коэффициента показывают снижение интенсивности метаболизма в хвое 2 года по сравнению с хвоей 1 года (что естественно для всех более старших биологических систем), в то время как по отдельным показателям (активности каталазы и содержания хлорофилла) эта закономерность выражена недостаточно четко.

Кроме того, КИМ позволяет обосновать сокращение продолжительности жизни хвои сосны обыкновенной в импактных зонах (табл.2) усилением обменных процессов в ней. Следовательно, данный показатель имеет прогностическое значение для функционирования ассимиляционных органов сосны обыкновенной в техногенных зонах, поскольку достоверно выявлена отрицательная корреляционная связь rxy=-0,8 между продолжительностью жизни хвои и КИМ.

Таблица 2Продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной на пробных площадях с разным уровнем техногенной нагрузки, коэффициент интенсивности метаболизма (КИМ)ПоказателиУсловно-контрольн. пробн. ПлощадьИмпактная зона ПКЗИмпактная зона СУМЗПродолжит. жизни3,0-3,52,0-2,51,5-2,0КИМ хвои 1 г. жизни.0,0760,0930,112

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. На основании проведенного анализа данных о показателях метаболизма в хвое сосны обыкновенной предложен новый оригинальный подход к биоиндикации окружающей природной среды по определению коэффициентов, отражающих основные процессы обмена веществ в тканях ассимиляционных органов деревьев, произрастающих в условиях техногенного загрязнения.

2. Применение введенного коэффициента интенсивности метаболизма (КИМ) для оценки состояния обмена веществ в тканях ассимиляционных органов сосны обыкновенной, позволяет выявить снижение уровня жизнедеятельности в хвое 2 года жизни по сравнению с таковым в хвое 1 года жизни в среднем на 25,5%.

3. Изучение обменных процессов в хвое деревьев популяций сосны обыкновенной, произрастающих на техногенных территориях Свердловской области, путем определения коэффициентов интенсивности метаболизма (КИМ) выявило наиболее высокие значения этих показателей в импактной зоне СУМЗа с высоким уровнем техногенного загрязнения.

4. Результаты определения возрастания интенсивности метаболизма в тканях сосны обыкновенной в зонах техногенного загрязнения с повышением уровня последнего согласуется с данными о продолжительности жизни хвои в импактных зонах СУМЗ и ПКЗ*, что позволяет рекомендовать коэффициент интенсивности метаболизма (КИМ) для биотестирования антропогенной нагрузки на лесные экосистемы и прогнозирования их состояния (* имеется тесная отрицательная корреляционная связь между продолжительностью жизни хвои и КИМ в хвое 1 года жизни r=-0,8).

Пример 2. Определение состояния агробиогеоценозов в зоне влияния ФГУП ППЗ "Свердловский" на различном удалении 10-1000 метров от него.

Об антропогенном влиянии аэрополлютантов птицеводческих предприятий на состояние окружающей природной среды можно судить по различным показателям, полученным биоиндикационными методами, при выполнении которых точку взятия контрольных образцов располагают вне зоны достоверного загрязнения сельхозпредприятия.

Обработку взятых образцов хвои по предложенному способу оценки состояния агробиогеоценозов и по стандартным методикам проводили в лаборатории кафедры экологии и зоогигиены Уральской Государственной сельскохозяйственный Академии г.Екатеринбург. Результаты исследований после математической обработки сведены в табл.3 и 4.

Исследования по определению содержания хлорофилла "а" и активности фермента каталазы в тканях хвои сосны обыкновенной в зоне деятельности ФГУП ППЗ "Свердловский" проводились в зимний, весенний и осенний периоды на разных расстояниях по мере удаления от источника загрязнения, с учетом преобладающих в данной зоне ветров (юго-западное направление).

Результаты определения показателей активности каталазы и содержания хлорофилла в хвое сосны обыкновенной у деревьев, произрастающих на территории Свердловской области, в лесном массиве Сысертского района, который, согласно районированию по остроте экологической ситуации, относится к районам с условно-удовлетворительной экологической ситуацией. Исключение составляют результаты определения содержания хлорофилла в хвое деревьев осенью: в конце вегетационного периода наблюдалось значительное его увеличение до 1.6%, что превышает верхний предел колебаний содержания хлорофилла в хвое деревьев, указанный в литературных источниках.

Данные о содержании хлорофилла (табл.3) в хвое деревьев, произрастающих на пробных площадях в зоне влияния ФГУП ППЗ "Свердловский", в зимний период либо снижены по сравнению с нижним пределом диапазона значений (0.3-1.3% - по литературным данным) содержания хлорофилла в хвое сосны обыкновенной, либо незначительно превышают этот нижний предел (0,3%) на всех, за исключением контрольной, пробных площадях.

Весной содержание хлорофилла в хвое сосны обыкновенной на изучаемых пробных площадях в зоне влияния племптицезавода на разных расстояниях от него было значительно выше, чем в зимний период и составляло 0.52-0.76%. Самые высокие показатели содержания хлорофилла в этот период, также как и в зимний, выявлены в хвое деревьев, произрастающих на контрольной пробной площади (5 км в юго-западном направлении) и превышают данные, полученные на пробных площадях в зоне влияния источника загрязнения 1.1-1.6 раз.

В осенний период содержание хлорофилла в хвое деревьев на всех пробных площадях было наиболее высоким, причем на пробных площадях, расположенных с подветренной стороны (юго-западное направление) по отношению к источнику загрязнения, уровень его превышал верхний предел колебаний, указанный в литературных источниках.

Таким образом, проведенные исследования показали, что процесс фотосинтеза осуществляется ассимиляционными органами сосны обыкновенной особенно активно в конце вегетационного периода, его интенсивность резко снижается зимой и усиливается к весне.

Таблица 3Результаты фотоколориметрического определения хлорофилла в хвое 2 года жизниМесто взятия образца по отношению к источнику загрязненияСодержание хлорофилла в расчете на абс. сух массу хвои (%)НаправлениеРасстояниеДекабрь 2003 г.Март 2004 г.Сентябрь 2004 г.С-З10 м0.2±0.0180.52±0.0500.78±0.07650 м0.15±0.0130.54±0.0520.92±0.091200 м0.13±0.0110.52±0.0510.81±0.82500 м0.33±0.0320.6±0.0580.57±0.058Ю-З10 м0.18±0.0150.55±0.0531.44±0.12050 м0.11±0.0100.60±0.0591.5±0.140200 м0.37±0.0350.52±0.0521.14±0.1101000 м0.36±0.0350.63±0.0621.6±0.160Контроль5000 м0.48±0.0460.86±0.0871.6±0.159

Наиболее благоприятные условия для функционирования ассимиляционных органов сосны обыкновенной выявлены согласно полученным данным на контрольной пробной площади, где во все периоды наблюдения показания хлорофилла в хвое сосны обыкновенной наиболее высокие. Неблагоприятные условия для процесса ассимиляции, обнаружены уже на удалении 200 м от источника загрязнения как в северо-западном, так и в юго-западном направлениях.

Другим объективным методом оценки физиологического состояния ассимиляционных органов деревьев, произрастающих в условиях антропогенного воздействия, может быть ферментативный анализ хвои сосны обыкновенной. При благоприятных условиях роста любые растения, как правило, имеют стабильные показатели ферментативной активности, в изменяющихся - напротив, размах колебаний значений показателей тем выше, чем сильнее какое-либо воздействие. Так, повышение активности оксидоредуктаз в тканях хвои свидетельствует о глубоких нарушениях важнейших физиологических процессов в них, об образовании перекисей, а также о существенных сдвигах в окислительно-восстановительных реакциях (Н.М.Шебалова, Л.Г.Бабушкина, 1999; О.П.Неверова, 2003).

Исследования по определению активности каталазы в хвое сосны обыкновенной показали, что наибольшие значения активности фермента были в зимнее время года (табл. 4). Выявленная закономерность обусловлена затуханием ассимиляционных процессов с преобладанием анаболизма (разрушения органических веществ диссимиляции, накопленных в вегетативный период ассимиляционными процессами органических веществ: сахара, аскорбиновой кислоты и т.д.

Таблица 4Результаты определения фермента каталазы в хвое сосны обыкновенной на разном удалении от ФГУП ППЗ "Свердловский"Место взятия образцаРасстояние от ППЗ\на прав.Активность фермента каталазы в пересчете на абс. сух. вес хвои (см³O₂^1г/_{2 мин})Декабрь 2003 г.Март 2004 г.Сентябрь 2004 г.  Хвоя 1 г.Хвоя 2 г.Хвоя 1 г.Хвоя 2 г.Хвоя 1 г.Хвоя 2 г.С-З10 м17,2±1,5615,0±1.508.7±0.8510.7±1.108.5±5.3711.2±1.150 м17,0±1,6513,4±1.267.5±0.756.5±5.567.4±5.797.3±0.69200 м32,4±3,2027,0±2.7819.3±1.9521.1±2.1018.7±15.518.3±1.8500 м47.4±4.5048.0±4.5913.4±1.2310.7±1.5614.1±14.113.3±1.10Ю-З10 м29.7±2.8940.5±4.1021.2±2.11.78±1.5017.6±1.7016.4±1.5050 м54.0±5.060.7±6.5020.0±2.020.6±2.1023.3±2.2323.2±2.23200 м31.7±3.1034.6±3.5621.0±2.020.0±2.022.5±2.2022.6±2.101000 м50.0±4.9740.0±3.7120.6±2.020.7±1.9820.0±2.022.2±2.20Контрольно-пробный участок32.5±3.1032.8±3.2624.6±2.2033.8±3.3020,6±2.1025.3±2.50

Высокая активность каталазы, превосходящая таковую в хвое деревьев, произрастающих на контрольной пробной площади, выявлена на пробных площадях, удаленных на 200-1000 м в северо-западном и на 50-1000 м в юго-западном направлениях от источника загрязнения. При этом самая высокая активность каталазы выявлена в хвое сосны обыкновенной первого года жизни на пробной площади 500 м в северо-западном направлении и в хвое второго года жизни на пробной площади 50 м в юго-западном направлении. Это явление обусловлено усилием процессов деградации на данных пробных площадях, связанных с повышенным содержанием помета на прилегающих участках. При этом данные об активности каталазы на пробных площадях 10-50 м в северо-западном направлении снижены по сравнению с таковыми на контрольном участке в 2.2-1.8 раз, что характеризует общий уровень снижения биологических процессов в хвое деревьев и согласуется с данными о накоплении хлорофилла в процессе ассимиляции.

Значительно снижены по сравнению с зимним периодом результаты определения каталазы весной и не подтверждают тенденцию, выявленную в зимний период, а именно: самый высокий уровень активности каталазы был в хвое сосны на контрольном участке, при этом активность фермента в хвое второго года жизни была незначительно выше, чем в декабре месяце. Так, в хвое первого года жизни активность каталазы снижена на 30% по сравнению с зимним периодом. В то же время на пробных площадях в зоне влияния ФГУП ППЗ "Свердловский" снижение активности каталазы по сравнению с зимним периодом наблюдалась от 1.5 до 5 раз (1000 м в юго-западном направлении). С началом вегетационного периода резко усиливаются процессы ассимиляции, что является причиной снижения активности каталазы в растущих ассимиляционных органах. Очевидно, биологические процессы в хвое второго года жизни наиболее стабильны в течение всего года по сравнению с хвоей первого года жизни.

Данные об активности каталазы в хвое сосны обыкновенной, полученные в сентябре 2004 г., согласуются с таковыми в весенний период. Значительными были отличия в результатах определения каталазы на контрольно-пробной площадке в хвое второго года жизни по сравнению с весенним периодом (25.4 против 33.8), в то время как на пробной площади в зоне влияния отходов ФГУП ППЗ "Свердловский" показатели активности каталазы в хвое сосны обыкновенной осенью незначительно отличались от результатов, полученных весной. При этом тенденции изменения активности в зависимости от удаленности от источника загрязнения сохранились осенью.

Таким образом, исследования по определению каталазы в хвое сосны обыкновенной в зоне влияния ФГУП ППЗ "Свердловский" показывают, что активность фермента на контрольной пробной площади наиболее стабильна. В зонах загрязнения выявлены отклонения, как в сторону усиления (500 м, 1000 м), так и в сторону снижения (10 м, 50 м) активности каталазы в зависимости от степени адаптации деревьев к контаминантам (отходам птицефабрики). Динамика активности фермента каталазы в хвое сосны обыкновенной в течении вегетационного и поствегетационного периодов свидетельствует об усилении активности фермента в поствегетационный период на всех пробных площадях, что указывает на сезонность изменения процессов метаболизма в ассимиляционных органах сосны обыкновенной.

Для проведения объективной оценки влияния антропогенного воздействия на уровень метаболических процессов в хвое сосны обыкновенной использованы дополнительные коэффициенты, показывающие соотношение процессов ассимиляции и диссимиляции в хвое сосны обыкновенной.

В качестве коэффициента интенсивности метаболизма (КИМ) принято отношение показателя содержания хлорофилла (мг/1 г) в хвое сосны обыкновенной к показателю активности каталазы (см³О₂^1г/_{2 мин}) в этом же субстрате.

Динамикой интенсивности процесса метаболизма в хвое сосны обыкновенной выявлено усиление процесса фотосинтеза от зимы к осени и выражено соответствующими коэффициентами (табл.5) Интенсивность процесса метаболизма изучалась в течение года - зимой, весной (начало вегетационного периода), осенью в конце вегетационного периода.

Таблица 5Динамика коэффициента интенсивности метаболических процессов в хвое сосны обыкновенной (2 года жизни) на пробных площадях, разноудаленных от источника загрязнения.Удаление ППКоэффициент метаболизма КИМВозрастание КИМ от зимы к осениДекабрь 2003 г.Март 2004 г.Сентябрь 2004 г.Март-декабрьСентябрь-мартСентябрь-декабрьс-з10 м0.130.50.73.81.45.350 м0.110.81.27.21.511.0200 м0.050.20.44.02.08.0500 м0.070.60.48.52.06.0ю-з10 м0.040.30.87.52.620.050 м0.020.30.615.02.030.0200 м0.110.30.52.71.74.51000 м0.090.30.73.32.37.7Контроль 5 км, юго-запад0.140.250.61.82.44.3

Данные математической обработки результатов определения показателей метаболизма подтверждают представленный выше анализ результатов определения хлорофилла и каталазы в хвое сосны обыкновенной (табл.1, 2) и позволяют количественно определить изменение процесса интенсивности ассимиляции в зависимости от удаления деревьев от источника загрязнения.

Анализ результатов определения динамики коэффициента метаболизма (КИМ) показывает, что последняя имеет одинаковый характер на всех пробных площадях в зоне влияния отходов ППЗ "Свердловский", а именно: резкое усиление интенсивности метаболических процессов от зимы к весне (от 2.7 до 15 раз), продолжающееся до осени. Однако в вегетационный период (от весны к осени) не столь выражено изменение интенсивности процессов метаболизма, как в предыдущий период (от зимы к весне), всего в 1.7-2.3 раза.

В целом усиление метаболизма за изучаемый период было наиболее значительно на ПП в юго-западном направлении вблизи источника загрязнения (10-50 м) и на удаление 500-1000 м.

Иная закономерность изменения интенсивности процессов метаболизма (КИМ) в течение периода наблюдений выявлена на КПП. Здесь усиление этого процесса происходит не столь резко, как на ПП зоны загрязнения и имеет постепенный характер от весны к осени с общим показателем возрастания КИМ в 4.3 раза.

Таким образом, полученные данные позволяют заключить, что влияние антропогенной нагрузки на природные экосистемы может быть выявлено путем определения интенсивности процессов метаболизма в хвое сосны обыкновенной, произрастающей в зоне антропогенного воздействия.

- Согласно полученным результатам в разное время года относительные показатели интенсивности метаболизма на КПП изменяются от 0.14 до 0.6. При этом зимой в зоне загрязнения они значительно ниже, чем на КПП; весной напротив резко возрастают по сравнению с КПП и остаются на высоком уровне осенью.

- Показатели интенсивности метаболических процессов в хвое сосны обыкновенной на КПП следует принять за норму-меру, с которой сравнивают аналогичные показатели на других ПП и оценивают уровень негативного воздействия отходов сельскохозяйственного производства.

- Оценка интенсивности процессов метаболизма в разные периоды годичного цикла показала, что наиболее информативные результаты, позволяющие вычленить зоны наибольшего воздействия поллютантов на биологические системы, были получены весной, что обусловлено закономерным усилением обмена веществ в тканях растений с началом вегетационного периода.

- Рассматривая изменения процессов метаболизма в ассимиляционных органах растений как реакцию адаптации живых организмов на негативное воздействие на окружающую природную среду, можно оценить резкое возрастание КИМ в зоне загрязнения, в 5-6 раз превосходящее таковое на КПП, как проявление адаптации.

Изобретение относится к экологии лесных агробиогеоценозов и предназначено для санитарно-гигиенического тестирования состояния лесных экосистем и прогнозирования динамики их развития в зонах техногенного загрязнения. Способ включает одновременное взятие образцов хвои сосны обыкновенной, произрастающей на исследуемой пробной площади и контрольной пробной площади, определение содержания хлорофилла и активности каталазы в них. Затем вычисляют коэффициент интенсивности метаболизма (КИМ) для исследуемых и контрольных образцов. КИМ - отношение показателя содержания хлорофилла к показателю активности каталазы. Сравнение полученных данных позволяет судить о степени антропогенного влияния. Способ позволяет получить результаты высокой достоверности с низкими затратами труда и средств на его проведение. 2 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Способ оценки экологического состояния агробиоценоза в зонах антропогенного влияния, отличающийся тем, что включает одновременное взятие образцов хвои сосны обыкновенной произрастающей на исследуемой пробной площади и контрольной пробной площади, определение содержания хлорофилла и активности каталазы в них, вычисление коэффициента интенсивности метаболизма (КИМ) для исследуемых и контрольных образцов по формуле ,

где а - значение содержания хлорофилла в 1 г абсолютно сухой хвои;

в - значение активности каталазы в 1 г абсолютно сухой хвои,

сравнение КИМ исследуемых образцов с КИМ контрольных образцов, по которому судят о степени антропогенного влияния.