Способ определения интегрального эффекта воздействий неблагоприятных факторов внешней среды Советский патент 1992 года по МПК A01G7/00 A01H1/00 

Ј

Изобретение относится к охране окружающей среды, селекции и генетике растений. Цель изобретения - повышение надежности, достоверности, расширение зоны и временных интервалов применения способа. Способ определения интегрального эффекта неблагоприятных факторов внешней среды включает сбор соцветий, цветков или отдельных пыльников дикорастущих цветковых растений, оценку и отбор амфиктичных растений и исследование реакции их пыльцы на состояние окружающей среды.

Изобретение относится к охране окружающей среды, экологическому мониторингу, растениеводству, селекции и генетике растений.

Известны способы контроля неблагоприятных факторов внешней среды, которые, основаны на определении содержания конкретных веществ или иных факторов физическими и химическими методами, а также на оценке их действия на некоторые биологические объекты.

В результате их использования складываются представления о предельно допустимых дозах действия или присутствия вредных факторов в среде.

Недостатком известных способов является их большая сложность, а также то, что каждый из них нацелен на выявление одного или нескольких вредных факторов. Между тем в большинстве случаев конкретные повреждающие факторы антропогенного

или естественного происхождения не являются заранее известными. Кроме того, повреждающий эффект может быть обусловлен и взаимодействием безвредных по отдельности факторов. Поэтому для первичной оценки среды, а также организации систем постоянного долговременного контроля за ее состоянием, интерес представляют способы регистрации интегрального действия неблагоприятных факторов.

К таким способам относится определение мутагенного эффекта факторов среды, основанный на учете показателей нарушения процессов формирования зародышевого мешка и раннего эмбриогенеза в 1 - 2 день цветения под влиянием мутагенных факторов. Сложность приготовления препаратов, необходимость высокой квалификации специалистов для проведения анализа делают целесообразным использование предложенного способа для прогнозироваХ|

ГО

ел XI

00 СП

ния потенциальной продуктивности и посевных качеств семян последующих поколений культурных растений, но не в целях оценки окружающей среды и контроля за ее состоянием.

Существует метод определения загрязнения окружающей среды пестицидами-мутагенами путем определения уровня стерильности пыльцы дикорастущих видов растений.

Недостатком метода является отсутствие критерия пригодности видов для био- ндикации, вследствие чего проводилась большая и недостаточно эффективная работа по определению возможности ис- пользования ряда растений в качестве индикаторов загрязнения пестицидами-мутагенами окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения мута- генного, канцерогенного и тератогенного эффекта химических соединений в воздухе по частоте встречаемости многоклеточных аномальных пыльцевых зерен в мужском половом поколении хвойных растений. Чем больше процент аномальных пыльцевых зерен, тем выше степень загрязненности воздуха.

Однако возможности применения этого способа ограничены сроками цветения и районами распространения хвойных растений, индикацией химических соединений только в воздушной среде. Кроме того, в этом способе не учитывается тот факт, что не все виды хвойных пригодны для использования в качестве индикаторных. В частности, таковыми являются интроду- цированные виды хвойных растений, для которых нормальные характеристики среды данной местности являются мало подходя- щими. Не учитывается и тот факт, что некоторые виды хвойных могут оказаться апомиктичными и иметь из-за этого повышенную частоту встречаемости аномальных пыльцевых зерен.

Целью изобретения является повышение надежности достоверности, расширения зоны и временных интервалов применения способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, основанном на определении качества пыльцы индикаторных растений, в качестве последних выбирают дикорастущие амфимиктичные цветковые растения, у которых наличие амфимиксиса определяют по частоте встречаемости дефектных пыльцевых зерен (ЧВДПЗ) в серии различных выборок. Амфимиктичными являются те виды, у которых средняя ЧВДПЗ вида достоверно меньше пограничной величины

10,2%, доверительные интервалы истинного значения которой простираются при

Р 0,95 8,1%-12,3%

Р 0,99 7,1%-13,3%

Р 0,999 5,8%-14,6%, где Р - уровень достоверности различий.

О силе воздействия неблагоприятных факторов среды судят по величине средней ЧВДПЗ у выборки особей вида в исследуемом местообитании. Если средняя ЧВДПЗ выборки меньше пограничной величины при избранном доверительном уровне, то условия среды для данного вида в исследуемом местообитании находятся в пределах нормы. Если средняя ЧВДПЗ ирследуемой выборки не отличается или достоверно больше пограничной величины, то налицо действие каких-либо неблагоприятных факторов. Таким образом, место обитания, выборки особей амфимиктичных видов, из которых имеют средние ЧВДПЗ меньшие, чем пограничная величина, отличаются только по степени благоприятности условий среды, в целом находящихся в пределах нормы, а местообитания, для которых получены значения средних ЧВДПЗ, не отличающиеся от пограничной величины или превышающие ее, отличаются уже по силе действующих в них неблагоприятных факторов.

Способ осуществляют следующим образом.

Сбор материала для исследования качества пыльцы. В исследуемом местообитании соответствующих видов у групп особей, составляющих выборки среднего объема и отобранных случайным образом, собирают части соцветий, цветки или отдельные пыльники, содержащие зрелую, не еще не высыпавшуюся пыльцу.

Приготовление препаратов и изучение качества пыльцы. Для каждой исследуемой особи готовится индивидуальный препарат зрелых пыльцевых зерен из мужских или обоеполых цветков. Для окрашивания пыльцевых зерен могут быть использованы любые красители, связываемые цитоплазмой и ядрами, но не оболочкой. Разделение пыльцевых зерен на нормально выполненные и дефектные производится на основе обычных цитологических критериев. Для каждой особи необходимо просчитать не менее 100 пыльцевых зерен в полях зрения, равномерно расположенных по поверхности препарата. Частота встречаемости дефектных пыльцевых зерен у особи, выраженная в процентах, называется степенью дефектности пыльцы, или сокращенно СДП. Каждая исследованная выборка особей одного вида, или видообразец, может быть охарактеризована средней СДП.

Оценка амфи- или апомиктичности видов. Осуществляется на основе вариационного ряда средних СДП его видообразцов, которые были собраны в различных местообитаниях, по возможности удаленных друг от друга, или же в различные годы. Если средняя СДП такого вариационного ряда, или средняя СДП вида, достоверно меньше пограничной СДП, доверительные интервалы истинного значения которой при довери- тельных уровнях 0,95, 0,99, 0,999 простираются соответственно от 8,1, 7,1 и 5,8 до 12,3, 13,3 и 14,6%, а сама величина равна 10,2%, то вид амфимиктичен с соответствующим уровнем надежности. Он может быть использован в тест-системе. В противном случае следует либо увеличить число выборок, по которым была определена средняя СДП вида и ее доверительные интервалы, либо, убедившись в том, что вид апомиктичен, отказаться от возможности его использования в тест-системах.

Сравнительная оценка местообитаний по уровню благоприятности или неблагоприятности действующих в них факторов среды. Осуществляется на основе сравнения средних СДП видообразцов одного или нескольких из обитающих в них амфи- миктичных видов. Если средние СДП видообразцов достоверно ниже пограничной средней СДП, то факторы среды в период формирования пыльцы соответствующих видообразцов не выходили за пределы нормы. Условия среды в этих случаях отличаются лишь по уровню благоприятности, если, конечно, средние СДП соответствующих видообразцов отличаются между собой. Срав- нение средних СДП видообразцов осуществляется на основе использования обычных статистических методик и не представляет трудности, особенно при использовании программируемых ЭКВМ.

Если средние СДП видообразцов не отличаются от пограничной средней СДП или достоверно превышают ее, то факторы среды в соответствующих местообитаниях выходят за допустимые для видов рамки. Сравнение СДП видообразцов в этих случаях позволяет оценить силу действия неблагоприятных факторов среды и ранжировать исследование местообитания по степени нарушенности, загрязненности и т.п. Чем больше величина средней СДП видообраз- ца, тем более неблагоприятными были условия среды в период формирования пыльцы.

Таким образом, в любом районе, на любой территории, где обитают цветковые

растения, могут быть отобраны группы ам- фимиктичных видов, пригодные для создания тест-систем контроля благоприятности факторов среды для обитающих в этих районах растений. Выявление конкретных факторов, ухудшающих качество среды обитания, может быть осуществлено дополнительным анализом погодных, хозяйственных и других условий соответствующих

0 районов. При необходимости могут быть использованы и специализированные способы оценки и выявления отдельных факторов среды обитания.

Для цицербиты кистевидной, козельца

5 Мейера и цикория обыкновенного из семейства сложноцветных, а также для борца ладьевидного из семейства лютиковых по данным о ряде различных выборок из этих видов при доверительном уровне 0,95 было

0 показано отсутствие апомиксиса, т.е. было установлено, что эти виды амфимиктичны и пригодны для использования в качестве индикаторных.

П р и м е р 1. Цицербита кистевидная.

5 Для видообразца были собраны на высоте 2100 м н.у.м. в окрестностях п.Терскол. Оба они имеют средние СДП менее 1,0%. Дисперсии у них мало отличаются от величин

средних СДП, а именно: X 0,7%, о2

0,672 и X 0,7%, о2 0,563, Распределение особей по величине СДП соответствует здесь распределению Пуассона, которое характерно для редких случайных событий.Тад ким образом, появление отдельных стерильных пыльцевых зерен у особей этих видообразцов обусловлено случайными не превышающими пределов нормы нарушениями в их развитии.

Q Один видообразец был собран на высоте 2800 м н.у.м. вущ. Адыл-су. Средняя СДП у него 5,7% и достоверно больше таковой у первых двух выборок. Использование критерия трех сигм дает возможность разде5 лить особи этой выборки на две подгруппы. Из них большая имеет среднюю СДП1 2,9%

и о2 3,312, т.е. распределение особей по качеству пыльцы в ней соответствует Пуассонову. Однако и в этой подгруппе

0 доля дефектных зерен достоверно выше (PL 0,001), чем у двух первых видообразцов. Вторая подгруппа из 3 особей имеет среднюю СДП 28,7%. Здесь одна из особей имеет практически стерильную пыльцу

5 (СДП 61,1%). Таким образом, выборка из более высоко расположённого местообитания имеет худшее качество пыльцы. Хотя условия здесь не выходят за рамки нормы, но они в целом менее благоприятны для исследованного вида.

П р и м е р 2. Козелец Майера. Выборка с высоты 2100 м имеет среднюю СДП 3,3%, а с высоты 2800м 6,1%. Обе они при использовании критерия трех сигм распадаются на две подгруппы; с лучшим и худшим качеством пыльцы. Различия подгрупп с лучшим качеством пыльцы между собой недостоверны. Однако, в подгруппе с высоты 2100 моно близко к Пуансоновскому X

0,9% и о2 1,1%, а у выборки с высоты 2800м распределение особей по СДП в этой подгруппе сильно отличается от такового (X

1,1% ц о2 3,5). В целом у выборки из более высокого пояса средняя СДП достоверно выше ,01. Больших величин достигают у нее и максимальные значения СДП отдельных особей (100% против 34,2%). Та- к,идо образом, и для этого вида условия оби- в более высоком поясе гор, не выходя за пределы допустимой видовой нормы, являются менее благоприятными.

П р, и м е р 3. Борец ладьевидный. У ,, собрадной с высоты 2100 м, рас- пред|д ен,е особей по СДП подчиняется закону Пуансона (X 1,1% и О2 1,14). Выскакивающих вариант здесь нет. В видо- абразц4.с высоты 2800 м присутствуют две прдгрупгш особей: меньшая, в которой СД;П 26,5%, и большая, со сред- 2,9%. Даже в этой последней .pynpg, качество пыльцы является досто- верн рёрлёе низким, чем у выборки с высоты ,01).

Таким образом, исследование 3 амфи- миктичнух видов из Приэльбрусья показа- л.р, что в период формирования их репродуктивных органов колебания усло- среды не выходили за пределы нормы, но в условия обитания в более верхне- выротном поясе для них менее благо- .

П ри.м ер 4. Цикорий обыкновенный. Два, видррбразца были собраны с двух уча- сельской местности, удаленных друг от друга на 2 км и отличающихся только уррвНем применения пестицидов. Первый в дрррразец собран на участке в окрестностях г-Аркадёка Саратовской области, где п схици ы не применялись. Это выборка я||лл с крнтрольнрй по отношению ко вто- ррД, 6г1Ь|т(нрй, собранной на краю поля, трижды обработанного раствором хлорофоса (общая территориальная нагрузка 6 кг/г,а). С§орвидообразцов проведен в нача- ле,авгусха, через 14 дней после обработки.

нерв-ый видообразец с контрольного

участка имеет среднюю СДП 2,37% и о2 Ц,1В/Выскакивающих вариант в этой выборке нет. Второй видообразец, с опытного

участка, имеет среднюю СДП 7,04% и о2 36,6, т.е. качество пыльцы в этой выборке достоверно ниже, чем в контрольной

(Р 0,01). Эта выборка при использовании критерия трех сигм распадается на две равные по числу особей подгруппы. Одна из них имеет СДП - 2,62%, практически равную величине этого показателя в контрольной вы0 борке.

Во второй подгруппе СДП особей составляет 13,43%, что достоверно превышает уровень дефектности пыльцы первой подгруппы и контроля (Р 0,001). Кроме то5 го, в выборке с опытного участка имеются 3 особи с очень низким качеством пыльцы: их средняя СДП составляет 49%.

Таким образом, степень дефектности пыльцы двух видообразцов исследуемого

вида в целом находится в пределах колебаний физиологической нормы. Ухудшение качества пыльцы растений с участка, обработанного ядохимикатами по сравнению с контролем, увеличение показателя

5 СДП у половины особей этой выборки до уровня, превышающего пограничную величину, а также резкое увеличение дефектности пыльцы у отдельных особей свидетельствует о неблагоприятном влия0 нии ядохимикатов на среду обитания растений.

П р и м е р 5. Качество пыльцы апомик- тичных видов из рода Ястребинка. Установив соответствие получаемых по пыльце

5 амфимиктичных видов оценок условий среды обитания в различных высотных поясах тому, что было известно нам до опыта, мы исследовали качество пыльцы двух выборок апомиктичных видов: ястребинки володуш® колистновидной и ястребинки почти-Полли- хова, собранных с высоты 2100 м - (из окрестностей п.Тёрскол) в самое теплое время года (начало августа). Обе выборки имели средние СДП приближающиеся к 100%, т.е.

оценки, которые можно получить, опираясь в качестве индикаторных растений на апо- микты, совершенно не соответствует реальности.

При применении предложенного способа во много сотен раз расширяется класс индикаторных растений и, в результате, число районов и типов местообитаний, в которых может быть применен данный способ оценки условий среды. Так, в рассмотрен5 ном примере сравнение местообитаний по хвойным было бы невозможным, поскольку ни один из видов хвойных не встречался в более холодном местообитании на высоте 2800 м над уровнем моря.

0

Расширены временные интервалы использования способа за счет более широкого диапазона цветения цветковых растений. Сбор материала для сравнения местообитаний был осуществлен в то время, когда цве- тение хвойных не наблюдалось.

Расширены границы использования способа за счет возможности определения комплексного действия отрицательных факторов, которые могут присутствовать не только в воздухе, но и в почве, воде.

В рассмотренном примере определяется загрязненность листьев самих растений, почвы, воздуха остатками ядохимикатов или продуктами их трансформации при сравне- нии двух местообитаний, отличающихся только уровнем использования пестицидов.

Исключена возможность получения ошибочных данных, так как в качестве инди- каторных растений избираются только те, у

которых собственная, обусловленная их внутренними биологическими причинами, изменчивость изучаемого и зависимого от условий среды параметра, стремится к нулю. В рассмотренном примере произвольный выбор в качестве индикаторных растений каких-либо видов из рода Ястре- бинка привел бы к грубым ошибкам при оценке условий среды в различных местообитаниях.

Формула изобретения Способ определения интегрального эффекта неблагоприятных факторов внешней среды, включающий анализ реакции пыльцы индикаторных растений, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, достоверности, расширения зоны и временных интервалов применения способа, предварительно отбирают амфик- тичные цветковые растения и используют их в качестве индикаторных.