СПОСОБ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2009 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к экологии, а именно к мониторингу экосистем методами биоиндикации, и может быть применено для оценки уровня антропогенного влияния на организм насекомых и состояние окружающей среды.

Среди широко распространенных методов, используемых повсеместно для оценки загрязнения окружающей среды, применяется метод определения частоты асимметричного проявления признака (ЧАП) при использовании указанных ниже тест объектов.

Из числа древесных растений: береза повислая - Betula pendula (Захаров В.М. и др. Здоровье среды: методика оценки (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур), М., 2000, с.123-124, 254-256). Для данного биоиндикатора расчет показателей ЧАП происходит по формуле

ЧАП-(Л-П/Л+П)÷n,

где Л, П - промеры слева и справа,

n - количество экземпляров.

Из числа рыб: лещ - Abramis brama, плотва - Rutilus rutilus, речной окунь - Perca fluviatilis, щука - Esox luceus, золотой карась - Carassius carassius, серебряный карась - Carassius auratus (Захаров В.М. и др. Здоровье среды: практика оценки (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур), М., 2000, с.146-149, 188-194, 277-281).

Из числа земноводных: озерная лягушка - Rana ridibunda, прудовая лягушка - Rana lessonal, травяная лягушка - Rana temporaria, гибридная форма лягушки - Rana esculenta (Захаров В.М. и др. Здоровье среды: практика оценки (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур), М., 2000, с.154-156, 194-196, 282-284).

Из числа млекопитающих: рыжая полевка - Clethrionomys glareolus, красная полевка - Clethrionomys rutilus, домовая мышь - Mus musculus, серая полевка - Microtus arvalis, жертогорлая мышь - Apodemus flavicollis, западноевропейская мышь - Apodemus sylvaticus, малая мышь - Apodemus uralensis, мышь малютка - Micromys minutus, малая белозубка - Crocidura suaveolens, средняя белозубка - Sorex caecutiens, тундровая белозубка - Sorex tundrensis, обыкновенная белозубка - Sorex areneus, бурая белозубка - Sorex roboratus, равнозубая белозубка - Sorex isodon (Захаров В.М. и др. Здоровье среды: практика оценки (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур), М., 2000, с.128-132, 176-180, 258-264).

Все эти методы имеют определенные недостатки. Рассматривая растительные биоиндикаторы, важно отметить то, что сбор материала должен производиться в строго определенный период, листья должны собираться только с укороченных побегов, кроме того, размер листовой пластинки должен быть сходным и средним для данного растения. Для выполнения данного исследования требуется циркуль-измеритель, линейка и транспортир. Промеры снимают как циркулем-измерителем, так и транспортиром. Важно отметить, что желательно для проведения промеров использовать одни и те же измерительные инструменты. Сказанное выше говорит о том, что достаточно лишь немного сдвинуть один из измерительных приборов, как это повлечет за собой серьезные ошибки в показателях ЧАП.

При использовании рыб в качестве тест-объектов существует проблема с интерпретацией данных. Так как рыбы способны передвигаться на большие расстояния, то очень сложно выявить уровень антропогенной нагрузки в каком-то определенном, конкретном пункте отбора проб.

Использование земноводных животных очень подробно описано у многих авторов, но у этих методик есть недостатки: прежде всего, мелкий крап не учитывается, но в то же время очень сложно разграничить небольшое пятно и крап, сложно отличить маленькую полоску от большого пятна.

При изучении стабильности развития млекопитающих используются краниологические признаки, а препарирование животных и правильное отделение черепа - очень трудоемкая работа.

Из числа насекомых известно использование в качестве биоиндикаторов: бабки зеленой - Cordulia aenea (Захаров В.М. Асимметрия животных, М.: Наука, 1987, с.161); колорадского жука - Leptinotarsa decemlineata (Последствия Чернобыльской катастрофы, М., 1996, с.169), жужелицы - Pterostichus oblongopunctatus (Захаров В.М., Чубинишвили А.Т., Мониторинг здоровья среды на охраняемых природных территориях, М., 2001, С.73-74), стабильность развития оценивалась по величине флуктуирующей асимметрии, в качестве анализируемых признаков учитывалось количество ямок в бороздах на надкрыльях (отдельно на левом и правом надкрыльях); могильщик чернобулавный - Necrophorus vespilloides (Захаров В.М., Чубинишвили А.Т., Мониторинг здоровья среды на охраняемых природных территориях, М., 2001, С.71-73), показателем стабильности развития служила средняя частота асимметричного проявления на признак, для оценки стабильности развития использовалось 6 признаков.

У биоиндикаторов насекомых также существуют недостатки. Так стрекоза бабка зеленая может перелетать на достаточно большие расстояния, следовательно, есть вероятность достаточно сильного искажения результатов. Для колорадского жука очень важны кормовые растения. Но практически повсеместно в исследуемых пунктах отбора проб не бывает ни одного из его кормовых растений. А, следовательно, этот тест-объект невозможно использовать для индикации уровня стрессирующего воздействия на оживленных улицах города и автомагистралях.

Известен способ биоиндикации среды с использованием в качестве биоиндикатора клопа-солдатика (патент РФ №2304771, МПК G01N 33/24, 2007). В этом способе в качестве морфологического признака использовался характер меланизированного рисунка переднеспинки спинной части покрова клопа-солдатика, эталонная среда была разбита на три класса качества, оценка антропогенного влияния велась по частоте встречаемости одной из вариации рисунка переднеспинки, выраженной в процентах.

Недостатком этого способа является использование трехбалльной системы оценки отличия от нормы. Такая шкала не обладает достаточной информативностью и не позволяет четко разделять территории разной степени нарушенности. Данный способ не позволяет проводить мониторинг среды посредством оценки стабильности развития.

Наиболее простым и доступным для широкого использования способом оценки стабильности развития является определение флуктуирующей асимметрии билатеральных морфологических признаков. Для оценки стабильности развития предпочтительно использование объектов с удобной для анализа системой морфологических признаков, что будет способствовать надежности результатов. Для меристического признака величина асимметрии у каждой особи определяется по различию признаков слева и справа. Популяционная оценка выражается средней арифметической этой величины. При анализе комплекса морфологических признаков лучше использовать интегральные показатели стабильности развития - это средняя частота асимметричного проявления на признак. Он рассчитывается как средняя арифметическая числа асимметричных признаков у каждой особи, отнесенная к числу используемых признаков.

ЧАП=(ΣX_t)/n,

где X_t - число асимметричных признаков у каждой особи, отнесенное к числу используемых признаков,

n - число особей в выборке.

(Захаров В.М. и др. Здоровье среды: методика оценки. М.: Центр экологической политики России. 2000, 65 с.). Для оценки степени выявленных отклонений от нормы были разработаны пятибалльные шкалы по величине интегрального показателя стабильности развития для рыб, земноводных, млекопитающих и растений (Захаров В.М., Чубинишвили А.Т. Мониторинг здоровья среды на охраняемых природных территориях. Москва. 2001, C.113, 115-133).

При использовании рыб в качестве биоиндикаторов есть существенные минусы, которые затрудняют интерпретацию результатов. Недостатки использования рыб заключаются в том, что данные организмы перемещаются по всему водоему, что влечет за собой искажение результатов мониторинговых исследований. В дополнение к вышесказанному, для перечисленных выше тест-объектов (рыб, земноводных и млекопитающих) методика оценки антропогенного влияния требует значительных временных и физических затрат. А именно, при подготовке к исследованию необходимо: во-первых, собрать достаточное количество экземпляров, необходимых для достоверного определения ЧАП; во-вторых, процесс препарирования скелетов биоиндикаторов достаточно сложный и трудоемкий.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение числа объектов-биоиндикаторов и отработка способа их использования для оценки загрязнения окружающей среды.

Технический результат заключается в возможности использования в качестве биоиндикатора насекомого - Elasmucha grisea, ареалом обитания которого является береза, которая произрастает почти во всех природных поясах, а также в населенных пунктах, т.е. является более универсальным. Технический результат достигается тем, что в способе оценки загрязнения окружающей среды, заключающемся в извлечении из изучаемой среды животных-биоиндикаторов, проведении анализа морфологических признаков по частоте асимметричного проявления признаков с правой и левой стороны животных-биоиндикаторов, вычислении частоты асимметричного проявления признака по формуле и сравнении полученных данных с пятибалльной шкалой оценки отклонений признаков от первоначальной билатеральности по величине интегрального показателя животного-биоиндикатора, согласно изобретению в качестве животного-биоиндикатора используют Elasmucha grisea, в качестве морфологических признаков для определения частоты асимметричного проявления признака используют не менее четырех признаков из группы, включающей количество точек пунктировки с каждой стороны медиальной линии темени; количество точек пунктировки с каждой стороны лба, щек и темени; форму валиков на мозолистых возвышениях переднеспинки; количество точек пунктировки с каждой стороны медиальной линии щитка; количество точек пунктировки на клавусе надкрылий; количество точек пунктировки на внутреннем крае кориума вдоль клавуса; форму меланизированнных пятен на заднем крае VII тергита, причем частоту асимметричного проявления признака вычисляют по формуле

ЧАП=(ЧАО/N)·100%

где ЧАО - число асимметричных особей,

N - общее число проанализированных особей,

если величина частоты асимметричного проявления признака менее 0,20, то уровень стрессирующего воздействия соответствует допустимому, если находится в интервале от 0,21 до 0,30 - низкому, в интервале от 0,31 до 0,40 - среднему, в интервале от 0,41 до 0,50 - высокому, более 0,51 - очень высокому.

Elasmucha grisea является младшим синонимом Elasmucha betulae. Русское название Elasmucha grisea - березовый щитник (Кержнер И.М. Щитники рода Elasmucha Stal фауны СССР, Зоологический журнал, 1972, №51, с.214-219).

Извлечение Elasmucha grisea производят методом энтомологического кошения с деревьев березы повислой, произрастающих на обследуемых территориях, отлавливается не менее 15 особей, затем они помещаются в морилку, заправленную хлороформом для умерщвления, после умерщвления их фиксируют в растворе ацетоалкоголя. Клоп Elasmucha grisea, использованный нами для данного исследования, является широко распространенным видом на европейской части России. Основным кормовым растением данного вида является береза повислая. В европейской части России береза произрастает повсеместно, что делает его наиболее удобным тест-объектом в мониторинговых исследованиях.

На фиг.1 изображен Elasmucha grisea с указанием исследуемых признаков;

на фиг.2 - таблица 1 с пятибалльной шкалой оценки отклонений признаков от первичной билатеральности по величине интегрального показателя частоты асимметричного проявления признака для Elasmucha grisea;

на фиг.3 - таблица 2, приведены значения показателей ЧАЛ в различных пунктах отбора проб; на фиг.5 таблица значений показателей ЧАП в различных пунктах отбора проб по 8 признакам.

Для подсчета частоты асимметричного проявления признака у Elasmucha grisea нами проводился анализ количества признаков, необходимых для достоверного исследования. В результате проделанной работы нами была выведена формула с помощью, которой определялось достаточное количество признаков, необходимых для мониторинга территории, и вклад каждого из них в суммарный показатель ЧАП. ЧАП рассчитывается по формуле

где X₁ - значения показателей признаков, расположенные в порядке убывания с увеличением i.

Для определения минимально необходимого числа признаков при подсчете величины ЧАП возможны два подхода.

1-й подход. Пусть имеем Nk показателей и требуется определить, возможно ли использовать меньшее число признаков при соблюдении требуемой точности для расчета ЧАП. В этом случае ЧАП(Nk) принимаем за 100%, задаем требуемый «вес» δ и начинаем уменьшать N, следя за тем, чтобы ЧАП(N) отличалось от ЧАП(Nk) не более, чем на δ процентов.

2-й подход. Имеем N признаков. Здесь X_i несет смысл ЧАП для каждого из признаков. Общий ЧАП находим по вышеуказанной формуле. Требуется определить те признаки, которые отличаются от общего ЧАП не более чем на δ процентов.

«Вес» δ - минимальный вклад, который должен вносить показатель в общий ЧАП. «Вес» δ задается самостоятельно, для того чтобы отбросить признаки, вносящие вклад в общий ЧАП меньше чем δ. Например, отбросить признаки, вносящие вклад в ЧАП меньше 5% (δ=0,05), 10% (δ=0,1) и т.д., и выделить признаки, вносящие наибольший вклад в общий ЧАП. Это позволит исследователю самостоятельно выбирать наиболее информативные признаки и ускорять процесс обработки экспериментальных данных. Однако наиболее точные вычисления общей ЧАП будут получаться при анализе всех 8 признаков, указанных выше.

На фиг.4 приведены данные по зависимости требуемого числа признаков по 1 и 2 подходу в зависимости от веса δ. Обозначение: 1 - первый подход; 2 - второй подход.

Видно, что при небольшом значении 8 число признаков по двум способам совпадает. При δ>0,05 минимальное число признаков, рассчитанное по 1 и 2 подходу, начинает сильно отличаться. Это связано с тем, что во 2 подходе мы можем уточнять имеющуюся информацию, постепенно увеличивая число рассматриваемых признаков. В 1 подходе мы имеем максимально возможное число признаков, но отсутствует информация о вкладе признака с наименьшим показателем ЧАП.

Таким образом, на основании разработанных математических моделей мы можем рассчитать, сколько необходимо анализировать признаков при заданных значениях ЧАП. Используя вышеприведенные алгоритмы, мы можем определить, какие ЧАПы будут вносить вклад в общий ЧАП менее заданной величины (например, 5%, 10%).

На основании проведенных нами исследований можно сделать вывод о том, что достоверное определение величины ЧАП возможно лишь при использовании 4 и более признаков.

Исследуются следующие морфологические признаки (фиг.1):

- количество точек пунктировки с каждой стороны медиальной линии темени 1;

- количество точек пунктировки с каждой стороны лба, щек и темени 2;

- форма валиков на мозолистых возвышениях переднеспинки 3;

- количество точек пунктировки с каждой стороны медиальной линии щитка 4;

- количество точек пунктировки на боковых краях щитка 5;

- количество точек пунктировки на клавусе надкрылий 6;

- количество точек пунктировки на внутреннем крае кориума вдоль клавуса 7;

- форма меланизированнных пятен на заднем крае VII тергита 8.

Сравнивают показатели ЧАП с созданной шкалой (табл.1, фиг.2) и определяют интегральный биологический эффект антропогенного загрязнения.

Сроки сбора материала имеют достаточно широкий временной промежуток (с июня по сентябрь). Каждая выборка должна включать в себя не менее 15-20 экземпляров. Так как береза повислая является основным кормовым растением для березового щитника, то необходимо, чтобы растения находились в сходных экологических условиях (уровень освещенности, увлажнения и т.д.). Для отбора материала необходимо использовать специальный сачок для сбора насекомых в кроне деревьев. Он представляет собой обычный сачок для энтомологического кошения, только больших размеров: диаметр обруча 50-70 см, длина палки 3-5 м. Находящиеся на листьях и побегах клопы оказываются в мешке сачка. Далее насекомых помещают в морилку, которая служит для умерщвления собранных насекомых. Она представляет собой банку, лучше широкогорлую, цилиндрическую с хорошо пригнанной пробкой. В банку помещают ленточки фильтровальной бумаги для поглощения влаги, выделяемой насекомыми. В качестве анестезирующих веществ в морилке применяют хлороформ и серный эфир. Указанными веществами пропитывают вату и помещают в морилку. После умерщвления насекомых, их извлекают из морилки и помещают в ацеталкоголь. Затем при помощи бинокуляра производят подсчет количественных и качественных признаков. Величина асимметрии по каждому признаку определяется по различию числа структур слева и справа. Этот показатель показывает частоту асимметричного проявления признака (ЧАП) и рассчитывается как число асимметричных особей (ЧАО), поделенное на количество особей в выборке.

ЧАП=(ЧАО/N)·100%,

где ЧАО - число асимметричных особей,

N - общее число проанализированных особей.

Эта формула в отличие от формулы, предложенной В.М.Захаровым (Захаров ВМ и др. Здоровье среды: методика оценки, М., 2000, 65 с.) позволяет установить чувствительность каждого из выделенных нами признаков, а не каждой особи в отдельности. На основании экспериментальных данных разработана шкала для оценки состояния здоровья окружающей среды по показателям ЧАП. В данной шкале I уровень стрессирующего воздействия соответствует допустимому, II - низкому, III - среднему, IV - высокому, V - очень высокому.

Пример. Проводились исследования ЧАП у березового щитника в 6 районах г.Воронежа.

1. Район санатория им. М.Горького (северная окраина г.Воронежа).

2. Район Чернавского моста (центр города).

3. Район Шиловского леса (южная окраина города).

4. Район поселка Боровое (северная окраина г.Воронежа).

5. Район областной больницы.

6. Район ботанического сада.

Сбор материала, его подготовку и анализ проводили по описанной выше методике. Результаты исследования представлены в табл.2, фиг.3.

Как видно из табл.2, в динамике значений показателей стабильности развития наблюдается достаточно большой разброс данных в различных районах города.

Исходя из шкалы, разработанной для оценки состояния окружающей среды, исследованные пункты отбора проб относятся к областям с низким (район ботанического сада ВГУ), средним (санаторий им. М.Горького, район Шиловского леса) и высоким (район Чернавского моста, пос.Дубовка, район областной больницы) уровнем стрессирующего воздействия.

В районе ботанического сада ВГУ уровень стрессирующего воздействия, по показателю ЧАП, имеет минимальные значения. Это связано с отсутствием в данном районе постоянных источников загрязнения, а также широкой лесополосой, играющей роль «буферной системы», в поддержании низкого уровня антропогенного влияния. В данном пункте отбора проб суммарный показатель загрязнения почвы =10,5.

В районе санатория им. М.Горького показатель ЧАП имеют также низкое значение, но уже относится к району со средним уровнем антропогенного влияния. Увеличение значения показателя стабильности развития объясняется, видимо, наличием сезонной рекреационной нагрузки, связанной с приездом отдыхающих в летний период времени. В указанном районе суммарный показатель загрязнения почвы =17,2.

Район Шиловского леса относится к области со средним показателем стрессирующего воздействия. Показатель ЧАП несколько ниже, чем в районе Чернавского моста, но в целом имеют место довольно большие относительные величины. Сбор березового щитника проводился в 200 м от автомагистрали «Дон», в районе которой суммарный показатель загрязнения почвы =20,9 и 47,7.

В районе Чернавского моста, в центре города, резко выражено повышение показателей, что, очевидно, объясняется наличием дороги с интенсивным движением автотранспорта. По данным «Доклада о состоянии… в 2003 г.» выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта в 2003 г. составили 360 тыс.т, более 30% эксплуатируемых автомобилей не отвечают требованиям ГОСТ. В районе остановки «Димитрова» суммарный показатель загрязнения почвы =24,1.

В поселке Дубовка показатель ЧАП, так же как и в районе Чернавского моста, имеет высокое относительное значение. В данном районе суммарный показатель загрязнения почвы в районе водозабора на берегу р.Усманки =10,5. По-видимому, в данном районе исследования произошло суммирование эффектов от различных стрессирующих источников, так как рядом с указанным пунктом отбора проб проходят железнодорожное полотно и высоковольтная линия, а также со значительной концентрацией продуктов сгорания и отходов мазута и каменного угля, накопившихся в почве за многие годы использования их прежде в качестве топлива локомотивов. Кроме того, вибрация, обусловленная постоянным прохождением поездов, негативно сказывается на организмах, обитающих в непосредственной близости от железной дороги. Вероятно, все указанные источники антропогенной нагрузки и повлияли на столь высокий показатель ЧАП в данном районе исследования.

Сборы материала в районе областной больницы проводились так же, как в случае Чернавского моста, вблизи от автомагистрали московского направления, на который ежедневный транспортный поток имеет огромные значения. По-видимому, это и сказалось на том, что данный район, так же как и 2 предыдущих, относится к области с высоким стрессирующим влиянием.

Таким образом, использование указанного нами организма в качестве биоиндикатора позволяем судить о степень стрессирующего воздействия в том или ином пункте отбора проб.

Изобретение относится к мониторингу экосистем методами биоиндикации и может быть применено для оценки уровня антропогенного влияния на окружающую среду, а также выявления создаваемых синергических биологических эффектов поллютантов в окружающей человека среде. Способ заключается в извлечении из изучаемой среды животных-биоиндикаторов - Elasmucha grisea. С последующим проведением анализа морфологических признаков по частоте асимметричного проявления признаков с правой и левой стороны животных-биоиндикаторов. Вычислением частоты асимметричного проявления признака по формуле ЧАП=(ЧАО/М)·100%, где ЧАО - число асимметричных особей, N - общее число проанализированных особей, причем если величина частоты ассимметричного проявления признака менее 0,20, то уровень стрессирующего воздействия соответствует допустимому, если находится в интервале от 0,21 до 0,30 - низкому, в интервале от 0,31 до 0,40 - среднему, в интервале от 0,41 до 0,50 - высокому, более 0,51 очень высокому. Изобретение позволяет проводить оценку загрязнения окружающей среды почти во всех природных поясах, а также в населенных пунктах, т.е. является более универсальным. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ оценки загрязнения окружающей среды, заключающийся в извлечении из изучаемой среды животных-биоиндикаторов, проведении анализа морфологических признаков по частоте асимметричного проявления признаков с правой и левой стороны животных-биоиндикаторов, вычислении частоты асимметричного проявления признака по формуле и сравнении полученных данных с 5-бальной шкалой оценки отклонений признаков от первичной билатеральности по величине интегрального показателя животного-биоиндикатора, отличающийся тем, что в качестве животного-биоиндикатора используют Elasmucha grisea, в качестве морфологических признаков для определения частоты асимметричного проявления признака используют не менее четырех признаков из группы, включающей количество точек пунктировки с каждой стороны медиальной линии темени, форму валиков на мозолистых возвышениях переднеспинки, количество точек пунктировки с каждой стороны медиальной линии щитка, количество точек пунктировки на клавусе надкрылий, количество точек пунктировки на внутреннем крае кориума вдоль клавуса, форму меланизированных пятен на заднем крае VII тергита, причем частота асимметричного проявления признака вычисляется по формуле:
ЧАП=(ЧАО/N)·100%,
где ЧАО - число асимметричных особей,
N - общее число проанализированных особей,
если величина частоты асимметричного проявления признака меньше 0,20, то уровень стрессирующего воздействия соответствует допустимому, если находится в интервале от 0,21 до 0,30 - низкому, в интервале от 0,31 до 0,40 - среднему, в интервале от 0,41 до 0,50 - высокому, более 0,51 - очень высокому.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что извлечение Elasmucha grisea производят методом энтомологического кошения с деревьев березы повислой, произрастающих на обследуемых территориях, отлавливают не менее 15 особей, затем их помещают в морилку, заправленную хлороформом для умерщвления, после умерщвления их фиксируют в растворе ацетоалкоголя.