Флуктуирующая ассиметрия листовых пластинок древесных растений на промышленных отвалах Донбасса

© 2025                                 Д. А. Достовалова^1*, А. З. Глухов¹, Н. С. Подгородецкий²

 

¹ФГБНУ Донецкий ботанический сад,

Россия, 283023 ДНР, г. Донецк, пр. Ильича, 110

²ФГБОУ ВО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры»

Россия, 286123 ДНР, г. Макеевка, ул. Державина, 2

 ^*E-mail: dasha.dostovalova1997@mail.ru

Поступила в редакцию: 13.01.2025

После рецензирования: 17.02.2025

Принята к печати: 25.03.2025

В работе оценена флуктуирующая ассиметрия листовых пластинок некоторых наиболее часто встречающихся древесных растений озелененных и самозаросших отвалов Донбасса. В качестве модельных выбраны следующие породные отвалы шахт Донецко-Макеевской городской агломерации: озелененный отвал бывшей шахты (ш.) 6/14 (Червоногвардейский район, г. Макеевка), озелененный отвал ш. 5/6 им. Димитрова (Калининский район, г. Донецк), озелененный отвал ш. Заперевальная (Буденновский район, г. Донецк) и самозаросший отвал ш. 9 Капитальная (Пролетарский район, г. Донецк). Пробы растительного материала отбирали в несколько этапов в июне, июле и августе 2024 года в пределах определенной площадки (около 25 м²), с высоты 1.5-2 м в 10 кратной повторности в соответствии с установленной методикой на отвалах и в пределах их санитарно-защитной зоны (СЗЗ). Исследуемые виды деревьев – Acer negundo, Acer platanoides, Juglans regia и Robinia pseudoacacia. Число проб для каждого вида составило 10 листьев с 1 дерева на отвале и 10 листьев с 1 дерева в пределах СЗЗ. Биомониторинг насаждений по площади и флуктуирующей асимметрии листовых пластинок древесных растений проведен по методике В. М. Захарова и др. Всего измерено 320 листьев, собранных на отвалах и в пределах СЗЗ. Авторами применялась система промеров листа у растений с билатерально симметричными листьями. Состояние Robinia pseudoacacia на отвалах оценивается как существенное отклонение от нормы, а в пределах санитарно-защитной зоны наблюдаются вполне благоприятные условия для произрастания. Acer negundo, Acer platanoides и Juglans regia как на отвалах, так и в санитарно-защитной зоне находятся в критически угнетенном состоянии. Метод флуктуирующей ассиметрии может быть использован при оценке качества окружающей среды и пригодности ее для произрастания растительности. По результатам исследований на шахтных породных отвалах наиболее оптимальными условия для произрастания являются для Robinia pseudoacacia. Тем не менее состояние древесных растений говорит о критической нагрузке на окружающую среду в зоне расположения породных отвалов, оказывающей негативное воздействие на все живые организмы.

Ключевые слова: шахтный породный отвал, стабильность развития, Acer negundo, Acer platanoides, Juglans regia, Robinia pseudoacacia

В последние десятилетия все большее значение приобретают вопросы обеспечения качества жизни, основанные на улучшении экологической обстановки (Качество жизни в XXI веке…, 2014а, б; Азаренков и др., 2017). В таком индустриально-развитом регионе как Донбасс, очень сложно создать благоприятную для населения экологическую среду. Последнее связано с аэропромвыбросами промышленных предприятий, автотранспорта, коммунального хозяйства и так далее. При разработке системы мероприятий, направленных на улучшение экологической обстановки, очень важно осуществлять экологический мониторинг на разном удалении от промышленных предприятий. Особо следует отметить, что для общественности имеет принципиальное значение наличие такого метода индикации состояния окружающей среды, который не требовал бы сложного дорогостоящего оборудования. Предъявляемым требованиям вполне соответствует метод флуктуирующей асимметрии, основанный на фиксации небольших случайных различий от двусторонней симметрии организмов или их частей (Залесов и др., 2014).

Промышленные породные отвалы представляют реальную экологическую опасность для окружающей среды и здоровья людей. На сегодняшний день существует два способа борьбы с этой опасностью: полная ликвидация породных отвалов путем утилизации их породы и фиторекультивация – уменьшение существующей опасности отвалов путем создания на них растительных насаждений. Однако известно, что со временем практически любой породный отвал начинает зарастать сам по себе.

По данным Министерства угля и энергетики ДНР на территории Республики насчитывается около 800 породных отвалов, часть из которых расположены на административных территориях городов Донецк (144), Макеевка (118), Шахтерск (69) и Торез (67). Техногенная нагрузка в Донбассе в 5-10 раз выше средней. Общая площадь техногенных объектов на территории некоторых городов области достигает 10% и более от их площади.

Рост напряженности во взаимоотношениях между растительным организмом и окружающей средой приводит к дестабилизации онтогенеза, что проявляется, в том числе, в нарушении равновесия в морфологической структуре популяции: увеличении доли нежизнеспособных морфотипов и уровня флуктуирующей асимметрии. Таким образом, городские популяции растений могут служить моделью, иллюстрирующей различия в процессах, происходящих в природе в оптимальной и пессимальной зонах. Повышенные энергетические затраты, направляемые на воспроизводство, способствуют выживанию популяции, но увеличивают давление, испытываемое особью, что усиливает дестабилизацию онтогенеза, тем самым увеличивая долю особей с пониженной жизнеспособностью, что, в свою очередь, негативно сказывается на воспроизводстве популяции (Turmukhameyova, Shadrina, 2020).

Флуктуирующая асимметрия (ФА) представляет собой незначительные различия между левой и правой сторонами и является результатом ошибок в ходе индивидуального развития организма. Даже незначительные отклонения параметров окружающей среды фиксирует показатель ФА. При удовлетворительном состоянии окружающей среды различие между правой и левой сторонами минимальный. С ростом загрязнения окружающей среды растет и показатель ФА (Захаров и др., 2000).

В значение интегрального показателя флуктуирующей асимметрии листовых пластинок различные признаки вносят различный долевой вклад: максимальное долевое участие в результирующее значение вносят флуктуации значений угла, образованного первой и второй жилками листовой пластинки (Глухов и др., 2011).

Важными способствующими факторами являются: климат, биотопические условия, широта и высота местности над уровнем моря. Повышение уровня ФА обычно наблюдается на экологической периферии ареала в условиях недостаточного освещения или избыточного увлажнения почвы, а также на бедных каменистых почвах. В условиях резко континентального климата на устойчивость развития лиственных деревьев в наибольшей степени влияют продолжительность вегетационного периода, сумма эффективных температур выше +5°C и условия теплого сезона (Shadrina et al., 2023).

Ширина левой и правой половин листа, длина жилки второго порядка, второй от основания листа и угол между главной жилкой и второй жилкой от основания являются наиболее стабильными показателями ассиметрии листовой пластинки. В связи с тем, что на повышение уровня ФА влияют стрессовые факторы, вызванные не только загрязнением, методология оценки качества окружающей среды по изменяющейся асимметрии листьев должна быть подкреплена дополнительными исследованиями (Saltan et al., 2020).

Преимуществами метода ФА является относительно низкая стоимость исследований, высокая скорость получения информации и возможность охарактеризовать состояние окружающей среды за длительный период времени (Kuhar, Avdeeva, 2021).

Целью исследования является оценка флуктуирующей ассиметрии листовых пластинок некоторых наиболее часто встречающихся древесных растений озелененных и самозаросших отвалов Донбасса.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В качестве модельных выбраны следующие породные отвалы шахт Донецко-Макеевской городской агломерации: озелененный отвал бывшей шахты (ш.) 6/14 (Червоногвардейский район, г. Макеевка), озелененный отвал ш. 5/6 им. Димитрова (Калининский район, г. Донецк), озелененный отвал ш. Заперевальная (Буденновский район, г. Донецк) и самозаросший отвал ш. № 9 Капитальная (Пролетарский район, г. Донецк).

Отвалы на данный момент являются потухшими без имеющихся очагов горения. Возраст отвалов примерно одинаковый – 45–60 лет. Температура в летний сезон в тени и под кронами деревьев составляет 20–22 °С, на местах попадания солнечных лучей – до 30°С (замеры проводились авторами в мае 2024 года). Порода на отвалах слабовыветренная, состоит из обломков породы разных размеров. Содержание фракции менее 1 мм от 11 до 27%. Отвалы находятся в стадии окисления и массового поселения растений.

Отвал ш. 5/6 имеет наибольший возраст среди исследованных отвалов (57 лет) с окончания эксплуатации, что предположительно и обуславливает самые низкие показатели запыленности ввиду максимальной выветренности породы. Отвал ш. Заперевальная заселен растениями только на половину, верхняя часть его является окисляемой и перегоревшей, возможно это влияет на высокий уровень пыли на листьях растений, находящихся на уровнях ниже. Отвал. ш. 6/14 также имеет окаменевшие остатки перегоревшей породы. Отвал ш. 9 Капитальная является практически полностью заросшим, но фракция на многих участках представляет собой в большей степени породу, чем почвенный субстрат.

К числу наиболее характерных и встречаемых аборигенных и самозаносных видов древесных растений, встречающихся на отвалах и изученных в настоящем исследовании относятся: Acer negundo L., Acer platanoides L., Juglans regia L. и Robinia pseudoacacia L.

Пробы растительного материала отбирали в несколько этапов в июне, июле и августе 2024 года в пределах определенной площадки (около 25 м²), с высоты 1.5-2 м в 10 кратной повторности в соответствии с установленной методикой на отвалах и в пределах их санитарно-защитной зоны (СЗЗ). Исследуемыми древесными видами для отвалов являлись Acer negundo, Acer platanoides, Juglans regia и Robinia pseudoacacia. Число проб для каждого вида составило 10 листьев с 1 дерева на отвале и 10 листьев с 1 дерева в пределах СЗЗ.

Биомониторинг насаждений по площади и флуктуирующей асимметрии листовых пластинок древесных растений проведен по методике В. М. Захарова и др. (2000). Всего измерено 320 листьев, собранных на отвалах и в пределах СЗЗ. Авторы применяли систему промеров листа у растений с билатерально симметричными листьями. Показатели 1–4 измеряли штангенциркулем-измерителем, угол между жилками – транспортиром (схема на рис. 1).

Рисунок 1. Схема морфологических признаков для оценки стабильности развития растения (Захаров и др., 2000). 1-5 – промеры листа: 1 – ширина половинки листа; 2 – длина второй от основания листа жилки второго порядка; 3 – расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; 4 – расстояние между концами этих жилок; 5 – угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка

 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе статистической обработки результатов исследований установлено, что для Robinia pseudoacacia показатель ассиметрии листа на отвалах в среднем составляет 0.05 (стандартное отклонение составляет 0.029), а в пределах СЗЗ – 0.04 (стандартное отклонение составляет 0.028). Разность между двумя средними значениями этих двух зависимых групп составляет 0.012 (стандартное отклонение – 0.018). Значение t-критерия Стьюдента составляет 1.32. Различия в процентном количестве оседаемой пыли на отвале и СЗЗ статистически достоверны на более низком уровне значимости (p = 0.28).

Для Acer negundo показатель ассиметрии листа на отвалах в среднем составляет 0.12 (стандартное отклонение составляет 0.06), а в пределах СЗЗ – 0.11 (стандартное отклонение составляет 0.07). Разность между двумя средними значениями этих двух зависимых групп составляет 0.005 (стандартное отклонение – 0.02). Значение t-критерия Стьюдента составляет 0.48. Различия в процентном количестве оседаемой пыли на отвале и СЗЗ статистически достоверны на низком уровне значимости (p = 0.66).

Для Acer platanoides показатель ассиметрии листа на отвалах в среднем составляет 0.09 (стандартное отклонение составляет 0.02), а в пределах СЗЗ – 0.07 (стандартное отклонение составляет 0.018). Разность между двумя средними значениями этих двух зависимых групп составляет 0.016 (стандартное отклонение – 0.018). Значение t-критерия Стьюдента составляет 1.8. Различия в процентном количестве оседаемой пыли на отвале и СЗЗ статистически достоверны на низком уровне значимости (p = 0.17).

Для Juglans regia показатель ассиметрии листа на отвалах в среднем составляет 0.12 (стандартное отклонение составляет 0.077), а в пределах СЗЗ – 0.11 (стандартное отклонение составляет 0.075). Разность между двумя средними значениями этих двух зависимых групп составляет 0.0075 (стандартное отклонение – 0.005). Значение t-критерия Стьюдента составляет 3. Различия в процентном количестве оседаемой пыли на отвале и СЗЗ статистически достоверны на высоком уровне значимости (p = 0.058).         

Результаты исследований представлены в табл. 1–4.

Таблица 1. Результаты определения флуктуирующей ассиметрии Robinia pseudoacacia      

 

Таблица 2. Результаты определения флуктуирующей ассиметрии Acer negundo      

 

Таблица 3. Результаты определения флуктуирующей ассиметрии Acer platanoides

 

Таблица 4. Результаты определения флуктуирующей ассиметрии Juglans regia

Близкое расположение автомагистралей и промышленных предприятий может способствовать высокому варьированию показателей и оказывать сопутствующее влияние на растения породных отвалов, но прослеживается четкое снижение коэффицента ассиметрии листовых пластинок в СЗЗ по сравнению с растениями, произрастающими непосредственно на отвалах. В таблице 5 приведена шкала оценки отклонений состояния растения от условной нормы в зависимости от показателя флуктуирующей ассиметрии (Захаров и др., 2000). 

Таблица 5. Шкала оценки отклонений состояния растительного организма от условной нормы (Захаров и др., 2000)

Для оценки степени нарушения стабильности развития удобно использовать пятибалльную оценку. Первый балл шкалы — условная норма. Значения интегрального показателя асимметрии (величина среднего относительного различия на признак), соответствующие первому баллу, наблюдаются, обычно, в выборках растений из благоприятных условий произрастания, например, из природных заповедников. Пятый балл — критическое значение, такие значения показателя асимметрии наблюдаются в крайне неблагоприятных условиях, когда растения находятся в сильно угнетенном состоянии.

Значения показателя асимметрии, соответствующие третьему и четвертому баллам, обычно наблюдаются в загрязненных районах.

В лучшем состоянии Robinia pseudoacacia находится на отвале ш. 6/14 – показатель ассиметрии 0.02, как и в СЗЗ (условная норма), в худшем – на отвале ш. 9 Капитальная и в пределах его СЗЗ (0.08 – 0.09 – критическое значение).

Acer negundo в лучшем состоянии находится в СЗЗ отвала ш. 5/6 – показатель ассиметрии 0.05 – существенные отклонения от нормы, в худшем – на отвале ш. Заперевальная и в пределах его СЗЗ (0.20 – критическое значение).

В лучшем состоянии Acer platanoides находится на отвале 6/14 – показатель ассиметрии 0.06, как и в СЗЗ, в худшем – на отвале ш. Заперевальная и в пределах его СЗЗ (0.11-0.09 – критическое значение).

Juglans regia в лучшем состоянии находится на отвале ш. Заперевальная – показатель ассиметрии 0.06 на отвале и 0.07 в СЗЗ, в худшем – на отвале ш. 6/14 и в пределах его СЗЗ (0.22-0.23 – критическое значение).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, состояние Robinia pseudoacacia на отвале оценивается как существенное отклонение от нормы, а в пределах СЗЗ наблюдаются вполне благоприятные условия для произрастания. Acer negundo, Acer platanoides и Juglans regia как на отвалах, так и в СЗЗ находятся в критическом угнетенном состоянии.

Метод флуктуирующей ассиметрии может быть использован при оценке качества окружающей среды и пригодности ее для произрастания растительности. По результатам исследований на шахтных породных отвалах наиболее оптимальными условия для произрастания являются для Robinia pseudoacacia. Тем не менее состояние древесных растений говорит о критической нагрузке на окружающую среду в зоне расположения породных отвалов, оказывающей негативное воздействие на все живые организмы.

 ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБНУ Донецкий ботанический сад по теме «Классификация почвенно-растительного покрова с помощью методов дистанционного зондирования Земли» (Регистрационный № 124101500495-0).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Азаренков Л. С., Астратова Г. В., Силин Я. П., Акыбаева Г. С., Алешин Д. В., …, & Яковлев Г. И. Жилищно-коммунальное хозяйство и качество жизни в XXI веке: экономические модели, новые технологии и практики управления: коллективная монография / Отв. ред. Е. Б. Дворядкина. Москва, Екатеринбург: изд. Центр «Науковедение», 2017. 600 с.

Глухов А. З., Штирц Ю. А., Демкович А. Е., Жуков С. П. Оценка проявления флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков листовой пластинки Aсеr pseudoplatanus L. в условиях придорожных экосистем промышленного города (на примере г. Донецка) // Промышленная ботаника. 2011. № 11. С. 90–96.

Залесов С. В., Азбаев Б. О., Белов Л. А., Суюндиков Ж. О., Залесова Е. С., Оплетаев А. С. Использование показателей флуктуирующей асимметрии березы повислой для оценки ее состояния // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 742–742.

Захаров В. М., Баранов А. С., Борисов В. И., Валецкий А. В., Кряжева Н. Г., Чистякова Е. К., Чубинишвили А. Т. Здоровье среды: методика оценки. М.: Центр экологической политики России, 2000. 68 с.

Качество жизни в XXI веке: тенденции, проблемы, перспективы: коллективная монография / Под общей и науч. редакцией Г. В. Астратовой. Сургут. 2014а. 412 с.

Качество жизни в XXI веке: актуальные проблемы и перспективы / Под общей и науч. редакцией Г. В. Астратовой. Екатеринбург: Изд-во ГК «Стратегия позитива», 2014б. 542 с.

Kuhar I., Avdeeva E. Research and Analysis of the State and Development of Woody Plants in The Squares of the City of Krasnoyarsk // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1079. No. 5. Article 052003.

Saltan N., Svyatkovskaya E., Trostenyuk N. Fluctuating Asymmetry of Leaves of Betula pubescens Ehrh. for Assessment of Pollution of the Urban Environment of the Kola North // KnE Life Sciences, 2020. P. 37–43.

Shadrina E., Soldatova V., Turmukhametova N. Fluctuating Asymmetry as a Measure of Stress in Natural Populations of Woody Plants: Influence of Ecological and Geographical Factors on Developmental Stability // Symmetry. 2023. Vol. 15. No. 3. Article 700. DOI: 10.3390/sym15030700

Turmukhametova N., Shadrina E. Changes in the Fluctuating Asymmetry of the Leaf and Reproductive Capacity of Betula pendula Roth Reflect Pessimization of Anthropogenically Transformed Environment // Symmetry. 2020. No. 12.  Article 1970. DOI: 10.3390/sym12121970 

Рецензент: д. б. н., главный научный сотрудник Евстигнеев О. И.