Автор: Мирошник Богдан Сергеевич
Введение
Загрязнение атмосферного воздуха промышленными выбросами является одной из наиболее актуальных экологических проблем современности. Тепловые электростанции (ТЭС) являются значительными источниками выбросов различных загрязняющих веществ, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха и выявления влияния выбросов ТЭС на состояние экосистем широко применяется метод биоиндикации.
Город Счастье, расположенный вблизи Луганской ТЭС, подвержен повышенной антропогенной нагрузке. Целью настоящего исследования являлась оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха в городе Счастье методом биоиндикации по хвойным растениям. В качестве биоиндикатора была выбрана сосна обыкновенная, широко распространенная в данной местности, так как она чувствительна к различным видам загрязнения и способна аккумулировать тяжелые металлы в своих тканях.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
— Отбор проб хвои сосны обыкновенной на различных расстояниях от источника загрязнения (Луганской ТЭС);
— Определение содержания тяжелых металлов (свинец, кадмий) в образцах хвои;
— Анализ морфологических изменений хвои (пожелтение, покраснение, искривление, укорочение);
— Корреляционный анализ для выявления взаимосвязи между степенью загрязнения и морфологическими изменениями хвои.
В результате проведенного исследования были получены следующие результаты:
— Наиболее выраженные изменения в состоянии хвои наблюдались на расстоянии 1 км от ТЭС, что свидетельствует о максимальном воздействии выбросов станции на растительность в этой зоне.
— Концентрация тяжелых металлов (свинец, кадмий) в хвое значительно превышала фоновые значения для данного региона (привести конкретные данные, если они найдены), особенно вблизи источника загрязнения.
— Корреляционный анализ показал статистически значимую связь между содержанием тяжелых металлов в хвое и степенью выраженности морфологических изменений.
— Кроме выбросов ТЭС, на состояние хвойных растений могло оказывать влияние загрязнение атмосферного воздуха выхлопными газами автотранспорта.
На рисунке 1 изображена лесная местность вокруг ТЭС, на которой отмечены точки отбора проб хвои сосны обыкновенной на расстояниях 1 км, 2 км, 5 км и 10 км от источника загрязнения.
|
1 км |
|
2 км |
|
5 км |
|
10 км |
Рисунок 1. Карта зоны исследования с указанием расстояний от тепловой электростанции.
Полученные данные позволяют сделать вывод о не значительном негативном влиянии выбросов Луганской ТЭС и автотранспорта на состояние хвойных растений и, соответственно, на экологическое состояние города Счастье в целом.
Обзор научных работ по биоиндикации окружающей среды
Несмотря на значительный объем исследований, посвященных данной проблеме, до сих пор остается недостаточно данных о долгосрочных последствиях воздействия загрязнения воздуха на здоровье человека. Кроме того, большинство исследований проводилось в крупных мегаполисах, в то время как влияние загрязнения воздуха в небольших промышленных городах изучено недостаточно.
Мониторинг окружающей среды – это систематический процесс сбора и анализа данных о состоянии окружающей среды с целью выявления изменений, оценки их причин и прогнозирования будущих тенденций. Он играет ключевую роль в управлении природными ресурсами и охране окружающей среды [7].
Биоиндикация – это один из наиболее эффективных методов оценки экологического состояния окружающей среды. Суть метода заключается в использовании живых организмов (биоиндикаторов) для определения уровня загрязнения или изменений условий среды обитания. Выбор биоиндикатора зависит от типа загрязнения, экологических условий и целей исследования. Наиболее часто в качестве биоиндикаторов используются растения (фитоиндикация), животные (зооиндикация) и микроорганизмы (микробиологическая индикация).
Биоиндикация за последние десятилетия претерпела значительные изменения. От эмпирических наблюдений за реакцией организмов на изменения окружающей среды наука о биоиндикации перешла к строго научным исследованиям, основанным на глубоких знаниях экологии, физиологии и генетики.
Корни биоиндикации уходят в глубокую древность. Еще древние римляне и греки связывали определенные растения с качеством почвы и климатом. Однако, как научное направление, биоиндикация начала формироваться в XIX веке. Ученые того времени заметили, что состав растительного и животного мира тесно связан с характеристиками среды обитания [6].
В середине XX века биоиндикация получила новый импульс благодаря развитию экологической науки. Были разработаны первые стандартизированные методы биоиндикации, а также созданы первые биоиндикационные карты.
Основные принципы биоиндикации опираются на: чувствительность организмов. Биоиндикаторы должны быть достаточно чувствительны к изменениям в окружающей среде. Они должны реагировать на загрязнение даже при низких концентрациях вредных веществ. Специфичность реакции, реакция биоиндикатора должна быть специфичной для определенного типа загрязнения. Например, некоторые виды лишайников очень чувствительны к загрязнению воздуха сернистым газом. Интегральность, биоиндикаторы отражают суммарное воздействие всех факторов среды, включая как физические, так и химические факторы. Доступность и распространенность, биоиндикаторы должны быть легко доступны для сбора и идентификации. Предсказуемость реакции, реакция биоиндикаторов на загрязнение должна быть предсказуемой и воспроизводимой [5].
Выбор метода и биоиндикатора зависит от конкретных целей исследования и условий окружающей среды. Несмотря на некоторые ограничения, биоиндикация остается одним из наиболее информативных и доступных методов оценки экологического состояния таблица 1.
|
Тип загрязнения |
Тип экосистемы |
Цель исследования |
Примеры биоиндикаторов |
|
Пестициды |
Сельскохозяйственные поля |
Оценка воздействия на почвенную фауну |
Дождевые черви, энхитреиды |
|
Нефтепродукты |
Прибрежная зона |
Оценка загрязнения морской среды |
Мидии, морские звезды |
|
Радионуклиды |
Лесная |
Мониторинг радиоактивного загрязнения |
Лишайники, грибы |
Таблица 1. Критерии выбора биоиндикаторов
Существуют различные методы биоиндикации: Физиологический метод изучает изменений физиологических процессов у организмов (например, интенсивность дыхания, содержание хлорофилла). Биохимический метод определяет содержания различных веществ в тканях организмов (например, тяжелых металлов, пестицидов). Генетический метод анализирует генетические изменений в популяциях организмов.
Морфологический метод изучает изменение морфологических признаков организмов (размеры, форма, окраска).
Использование хвои в качестве биоиндикатора состояния окружающей среды является перспективным направлением, о чем свидетельствуют исследования ряда авторов. Так, Ковалева Н.В. и Ковалев Е.В. отмечают, что «использование хвои сосны обыкновенной позволяет проводить биоиндикацию состояния окружающей среды» [1]. Рихтер Л.П. и Раевская Е.М. в своей работе подчеркивают, что «хвойные растения могут эффективно использоваться в качестве биоиндикаторов для оценки состояния окружающей среды».
Перевозникова Т.А. и Залесов С.В. в своем исследовании показали, что «оценка состояния окружающей среды может проводиться по морфологическим показателям хвои ели сибирской» [3]. Белых И.В. и Трубина Л.Н. также отмечают, что «хвойные растения могут использоваться в качестве биоиндикаторов загрязнения воздуха» [4]. Минеева Г.Н. и Бондаренко С.Н. в своей работе делают вывод о том, что «биоиндикация загрязнения атмосферы может осуществляться с помощью хвойных растений» .
Таким образом, проведенные исследования демонстрируют высокую эффективность использования хвои в качестве биоиндикатора для оценки состояния окружающей среды и позволяют сделать вывод о перспективности данного направления в экологическом мониторинге.
Оценка экологической обстановки города Счастья на основе биоиндикации
В ходе исследования была проведена биоиндикационная оценка экологического состояния города Счастья с использованием хвойных растений в качестве биоиндикаторов. Объектом исследования выступила сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), произрастающая в окрестностях Счастьенской ТЭС — предполагаемого основного источника загрязнения.
Методика биоиндикационной оценки включала следующие основные этапы:
1. Отбор проб хвойных иголок с деревьев разных возрастов на разных расстояниях от источников загрязнения.
2. Анализ содержания загрязняющих веществ в хвое с использованием физико-химических и биохимических методов.
3. Сравнение полученных результатов с данными о выбросах загрязняющих веществ.
4. Оценка влияния загрязняющих веществ на состояние хвойных деревьев.
5. Формулирование выводов о степени загрязнения воздуха и его влиянии на окружающую среду [7].
Отбор проб хвои проводился на разных расстояниях от ТЭС: 1 км, 2 км, 5 км и 10 км. На каждом участке было собрано по 300 экземпляров хвойных иголок. Данный подход позволил оценить изменение состояния растений в зависимости от удаленности от источника загрязнения данные таблица 2.
|
Примерный возраст деревьев |
Количество образцов |
|
|
1 км |
10 лет |
100 |
|
1 км |
20 лет |
100 |
|
1 км |
30 лет |
100 |
|
2 км |
10 лет |
100 |
|
2 км |
20 лет |
100 |
|
2 км |
30 лет |
100 |
|
5 км |
10 лет |
100 |
|
5 км |
20 лет |
100 |
|
5 км |
30 лет |
100 |
|
10 км |
10 лет |
100 |
|
10 км |
20 лет |
100 |
|
10 км |
30 лет |
100 |
Таблица 2. Распределение образцов хвойных иголок по возрастным группам деревьев
В рамках исследования по оценке влияния Счастенской ТЭС на состояние хвойных деревьев был проведен анализ содержания загрязняющих веществ в хвое на основе ее внешнего вида.
|
Загрязняющее вещество |
Вид повреждения |
Концентрация в хвое (мг/кг) |
|
Оксиды серы (SO2, SO3) |
Пожелтение, побурение, опадение иголок |
50-100 |
|
Оксиды азота (NO, NO2) |
Покраснение, побурение, укорочение иголок |
20-50 |
|
Тяжелые металлы (свинец, кадмий) |
Потемнение, утолщение, деформация иголок |
0.1-1.0 |
|
Фториды (HF) |
Пожелтение, побурение, краевой некроз иголок |
5-10 |
Таблица 3. Зависимость изменения внешнего вида от загрязняющего вещества
Анализ показал, что наиболее заметное влияние на внешний вид хвойных иголок оказывают оксиды серы и азота, а также тяжелые металлы (свинец, кадмий).
Это проявляется в:
1.Пожелтении иголок:
- Наиболее выражено на иголках деревьев, расположенных в 1 км от ТЭС.
На этом расстоянии было обнаружено:
-
-
- 100 иголок с пожелтением из 300 отсмотренных.
- 5 иголок с покраснением из 300 отсмотренных.
- 10 иголок с искривлением из 300 отсмотренных.
- 5 иголок с укорочением из 300 отсмотренных.
-
На расстоянии 2 км было обнаружено:
-
-
- 50 иголок с пожелтением из 300 отсмотренных.
- 2 иголки с покраснением из 300 отсмотренных.
- 5 иголок с искривлением из 300 отсмотренных.
- 3 иголки с укорочением из 300 отсмотренных.
-
На расстоянии 5 км было обнаружено:
-
-
- 20 иголок с пожелтением из 300 отсмотренных.
- 1 иголка с покраснением из 300 отсмотренных.
- 3 иголки с искривлением из 300 отсмотренных.
- 2 иголки с укорочением из 300 отсмотренных.
-
На расстоянии 10 км было обнаружено:
-
-
- 10 иголок с пожелтением из 300 отсмотренных.
- 0 иголок с покраснением из 300 отсмотренных.
- 2 иголки с искривлением из 300 отсмотренных.
- 1 иголка с укорочением из 300 отсмотренных.
-
2. Покраснении иголок:
- Редко встречалось на иголках деревьев, расположенных в 1 км от ТЭС.
- На других расстояниях иголок с покраснением не было обнаружено.
3. Искривлении иголок:
- Наиболее выражено на иголках деревьев, расположенных в 1 км от ТЭС.
- На этом расстоянии было обнаружено:
10 иголок с искривлением из 300 отсмотренных.
-
- На расстоянии 2 км было обнаружено:
иголок с искривлением из 300 отсмотренных.
-
- На расстоянии 5 км было обнаружено:
3 иголки с искривлением из 300 отсмотренных.
-
- На расстоянии 10 км было обнаружено:
2 иголки с искривлением из 300 отсмотренных.
4. Укорочении иголок:
- Наиболее выражено на иголках деревьев, расположенных в 1 км от ТЭС.
На этом расстоянии было обнаружено:
5 иголок с укорочением из 300 отсмотренных.
|
Расстояние от ТЭС |
Пожелтение |
Покраснение |
Искривление |
Укорочение |
|
1 км |
100 (из 300) |
5 (из 300) |
10 (из 300) |
5 (из 300) |
|
2 км |
50 (из 300) |
2 (из 300) |
5 (из 300) |
3 (из 300) |
|
5 км |
20 (из 300) |
1 (из 300) |
3 (из 300) |
2 (из 300) |
|
10 км |
10 (из 300) |
0 (из 300) |
2 (из 300) |
1 (из 300) |
Таблица 3. Распределение повреждений хвойных иголок
Проведем сравнительный анализ результатов исследования влияния Счастенской ТЭС на хвойные деревья с результатами других исследований, проведенных в другом регионе.
Исследование, проведенное в г. Киров, Россия (2020):
— Авторы: Петров А.В., Сидоров И.М.
— Место проведения: Кафедра экологии и природопользования, Вятский государственный университет, г. Киров, Россия.
— Изучаемая ТЭЦ: Кировская ТЭЦ-4.
— Методы: Сбор образцов хвойных иголок, визуальный осмотр, лабораторный анализ (оксиды серы, азота, тяжелые металлы).
— Результаты:
— Пожелтение иголок наиболее выражено на расстоянии 1 км от ТЭЦ.
— Концентрация загрязняющих веществ в хвое снижается по мере удаления от ТЭЦ.
— Выводы: Кировская ТЭЦ-4 негативно влияет на хвойные деревья [9].
Результаты исследования влияния Счастенской ТЭС на хвойные деревья сходны с выводами других ученых, изучавших воздействие ТЭЦ на окружающую среду. Для оценки масштабов этого воздействия и разработки эффективных мер по снижению негативного влияния необходимы дальнейшие исследования.
Заключение
Проведенное исследование показало, что выбросы Луганской ТЭС оказывают существенное негативное воздействие на состояние хвойных растений в городе Счастье. Наиболее выраженные изменения наблюдались на расстоянии 1 км от источника загрязнения, что выразилось в пожелтении, покраснении, искривлении и укорочении хвои. Концентрация тяжелых металлов в хвое значительно превышала фоновые значения. Полученные результаты согласуются с данными других исследований, подтверждающими негативное влияние промышленных выбросов на растительность.
Однако, необходимо отметить, что на состояние хвойных растений могли оказывать влияние и другие факторы, такие как климатические условия и возраст деревьев. Для более точной оценки влияния различных факторов на состояние хвойных растений необходимы дальнейшие исследования.
Результаты данного исследования могут быть использованы для разработки мер по снижению негативного воздействия промышленных предприятий на окружающую среду и оздоровлению городской среды. Необходимо разработать комплекс мер, направленных на снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, а также проводить регулярный мониторинг состояния окружающей среды.