Оценка качества городской среды промышленного города с использованием методов фитомониторинга (на примере г. Нижнекамск)

УДК 502:005.584.1

Е. А. Минакова, А. П. Шлычков, И. Г. Шайхиев, Э. И. Биктемирова

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ФИТОМОНИТОРИНГА

Ключевые слова: береза повислая, окружающая среда, интегральная оценка, фитомониторинг, флуктуирующая асимметрия.

В статье приведены результаты проведенного фитомониторинга урбосистемы г. Нижнекамск с использованием метода биоиндикации по величине флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой (Betula pendula Roth.). Выявлено влияние антропогенного загрязнения урбосистемы на стабильность развития морфологических структур листовой пластинки березы повислой. Показано, что в городе при различных направлениях ветра в период вегетации формируется три зоны с максимальными значениями индекса флуктуирующей асимметрии, превышающими условную норму, что свидетельствует о критическом состоянии окружающей среды.

Keywords: environment, integrated assessment, phytomonitoring, Betula pendula Roth., fluctuating asymmetry.

The article presents the results ofphytomonitoring city of Nizhnekamsk using the method of biological indication of the magnitude offluctuating asymmetry leaf birch (Betula pendula Roth.). The influence of anthropogenic pollution city of Nizhnekamsk from stability of morphological structures of leaf birch is revealed. It is shown that in the city at different wind directions during the growing season formed three zones with the highest values of the index fluctuating asymmetry exceeding conventional norm, indicating that the critical state of the environment.

Введение

В атмосферном воздухе современных урбанизированных систем присутствуют сотни органических и неорганических веществ различных химических классов, поступающих из многочисленных источников, как правило, антропогенного характера. Основными источниками поступления загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферный воздух городов являются промышленные предприятия и автотранспорт. В основном, в атмосферный воздух городов поступают наиболее распространенные ЗВ - пыль (взвешенные вещества различной природы), сернистый ангидрид, окислы азота, окись углерода и различные углеводороды [1].

Город Нижнекамск - один из крупнейших в России центров нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. По данным [2] население города на 1.01.2013 г. составляет 235 407 человек. Нижнекамский муниципальный район вместе с г. Нижнекамск являются территориями с высокой концентрацией промышленных предприятий [3]. Уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Нижнекамск в 2013 г. характеризовался как «очень высокий», а в 2014 г. - как «повышенный» [4].

Основными источниками выбросов ЗВ среди промышленных предприятий являются: ПАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «ТАИФ-НК», ОАО «Нижнекамскшина», ОАО «Нижнекамсктехугле-род», предприятия стройиндустрии и Нижнекамская ТЭЦ.

Эти предприятия оказывают негативное воздействие на состояние окружающей среды (ОС) как г. Нижнекамск, так и всего Закамского региона [4]. Производственная деятельность нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) приводит к значительному загрязнению ОС и создает риски для здоровья населения [5]. В выбросах этих заводов содержится широкий спектр органических токсичных веществ, из

которых особую опасность представляют канцерогенные вещества, в том числе бензол, сажа, формальдегид, бенз(а)пирен. Кроме того, многие крупные НПЗ расположены в непосредственной близости к городам с уже повышенным уровнем загрязнения атмосферного воздуха (в частности, г. Нижнекамск) [6].

Целью настоящей работы является фитомонито-ринг оценки стабильности развития березы повислой (Betula pendula Roth.) крупной урбосистемы г. Нижнекамск, подверженной значительному антропогенному воздействию.

В продолжение предыдущих работ [7, 8, 9] для оценки состояния ОС г. Нижнекамск в работе использован биоиндикационный метод на основе морфогенетического мониторинга. Оценка уровня стабильности развития березы повислой проведена на основе анализа величины флуктуирующей асимметрии (ФА). Суть данного метода состоит в выявлении мелких ненаправленных нарушений стабильности развития, являющихся интегральным ответом организма на состояние среды [10]. Оценка уровня флуктуирующей асимметрии дает возможность диагностировать отклонения от условной нормы на более ранних стадиях патологического состояния дерева, когда по другим критериям оно является еще «здоровым» [11].

Особенностью стабильности развития является то, что оно в большой степени зависит от общей генетической перестройки организма, что особенно важно при оценке последствий любого воздействия [12]. У билатерально симметричных животных флуктуирующая асимметрия в той или иной мере проявляется как изменчивость в пределах организма. Величина ФА дает характеристику морфогене-тического гомеостаза, или стабильности развития, и определяется, как следствие несовершенства онтогенетических процессов и представляет собой незначительные ненаправленные отклонения от стро-

гой билатеральной симметрии и может быть охарактеризована как одно из наиболее обычных и доступных для анализа проявлений случайной изменчивости развития. При нормальном состоянии ОС их уровень минимален, при возрастающем негативном воздействии увеличивается, что ведет к повышению асимметрии [13, 14].

Материалы и методы исследований

В качестве модельного объекта был выбран вид береза повислая (Betula pendula Roth.), являющаяся, по результатам исследований, наиболее газоустойчивой породой [15]. Выбор объекта исследования обусловлен тем, что данный вид является широко распространенным, к тому же, растения в уробоси-стемах становятся основной мишенью токсикантов при техногенном загрязнении, в течение всей своей жизни привязаны к локальной территории и подвержены влиянию почвенной и воздушной сред, наиболее полно отражающих весь комплекс стрес-сирующих воздействий на экосистему. В данном случае, адаптация растения будет проявляться в физиологических реакциях, направленных на поддержание гомеостаза, благодаря чему организм в непривычных условиях сможет противостоять экстремальным факторам среды и сохранить жизнедеятельность, соответствующую генотипу.

Сбор и обработка материала проведена в соответствии с [16]. Отбор материала проводился в 2013-2014 г.г. в зоне жилой застройки г. Нижнекамск.

Интегральная оценка состояния растений проводилась с использованием морфологического подхода (оценка уровня стабильности развития). Стабильность развития оценивали по уровню флуктуирующей асимметрии пяти признаков листовой пластинки. В качестве интегрального показателя флуктуирующей асимметрии использовали величину среднего относительного различия между сторонами на признак, для характеристики состояния растений по стабильности развития использовали пятибалльную шкалу, которая составлена в соответствии со степенью возрастания интегрального показателя стабильности развития: первый балл соответствует условной норме, пятый - критическому состоянию [17]. Статистическая обработка данных проведена с использованием табличного процессора MS Excel. Для визуализации полученных значений коэффициентов ФА с использованием геоинформационной системы «Surfen» были построены карты распределения индекса ФА на территории г. Нижнекамск в 2013 -2014 г.г. (рис. 1, 2).

По результатам, полученным в 2013 г. можно отметить, что в городе выделяется две зоны с максимальными значениями индекса ФА. Первая зона в юго-восточной части города с максимальным значением индекса ФА 0,068, то есть на периферии города, которая расположена ближе к Нижнекамскому промышленному узлу. Вторая зона в северной части города с максимальным значением индекса ФА

0,064. Среднее значение индекса ФА в 2013 г. в г. Нижнекамск составило 0,056, что соответствует критическому состоянию ОС.

В 2014 г. в городе зарегистрировано также две зоны с максимальными значениями индекса ФА. Первая зона наблюдалась в юго-восточной части города с максимальными значениями индекса ФА 0,057, которая располагалась по отношению к зоне, выявленной в 2013 г. несколько севернее. Третья зона с максимальными значениями индекса ФА 0,060 наблюдалась в южной части промышленной зоны. Среднее значение индекса ФА в 2014 г. в г. Нижнекамск составило 0,054, что соответствует критическому состоянию ОС. Анализ динамики индекса ФА в 2013 - 2014 г.г. (рис 1-2) позволяет утверждать, что в западной части г. Нижнекамск, наиболее удаленной от промышленной зоны и основных потоков автотранспорта, выявлены наименьшие значения индекса ФА (0,051-0,054). Однако эти значения находятся в пределах четвертого класса качества окружающей среды («сильно загрязненные районы») согласно [17], что говорит о значительных отклонениях данного показателя от нормы. Для объяснения полученных распределений индекса ФА в г. Нижнекамске в 2013 и 2014 гг. были построены розы ветров в период вегетации май-сентябрь в г. Нижнекамск в 2013 и 2014 гг. по данным авиационной метеорологической станции гражданской (АМСГ) Бегишево (рис. 1,2). Анализ рис. 1,2 показывает, что в 2013 г. в период вегетации преобладали ветра северо-северо-восточных и северовосточных направлений, а в 2014 г. - западных-юго-западных и юго-западных направлений. Средние скорости ветра в период вегетации в 2013 и 2014 гг. были примерно равны и соответственно составляли 4,8 и 4,7 м/с.

С учетом розы ветров формирование зоны максимальных значений индекса в юго-восточной части города, скорее всего, было обусловлено в основном выбросами автотранспорта. В 2013 г. преобладающие северо-северо-восточные и северо-восточные ветра смещали эту зону в юго-западном направлении, а в 2014 г. преобладающие западные-юго-западные и юго-западные ветра смещали ее в северо-восточном направлении.

Сопоставление полученных результатов с материалами исследований по величине ФА листовой пластинки для березы повислой в других городах России показало, что значения ФА, полученные в г. Нижнекамск сопоставимы с результатами, выявленными в других городах Российской Федерации. Так, в столице Республики Татарстан - г. Казани значения показателя сильно дифференцированы по районам города и варьируют от 0,04 до 0,07 [7-9]. В г. Тольятти показатель ФА варьирует от 0,035 до 0,056 [18], в г. Ставрополь 0,025-0,056 [19], г. Ханта-Мансийск 0,053-0,057 [20], в Якутии в городской среде 0,042-0,056 [21].

600.00

500.00

400.00

300.00

200.00-

100.00-

0.00

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 60(

Рис. 1 - Карта распределения индекса ФА в 2013 г. в г. Нижнекамск

600.00

500.00

400.00

300.00

200.00

100.00

0.00

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00

Рис. 2 - Карта распределения индекса ФА в 2014 г. в г. Нижнекамск

зсз

Роза ветров в период вегетации май-сентябрь 2013 г. в г. Нижнекамск

Роза ветров в период вегетации май-сентябрь 2014 г. в г. Нижнекамск

Заключение

Средние значения интегрального показателя ФА в г. Нижнекамске превышают условную норму, что свидетельствует о критическом состоянии ОС. Наименьшие значения индекса ФА зарегистрированы в западной части города, наиболее удаленной от промышленной зоны и основных потоков автотранспорта.

По результатам наблюдений в городе выделены три зоны с максимальными значениями индекса ФА. Первая зона располагается в юго-восточной части города с максимальными значениями индекса ФА 0,068 и 0,057 в 2013 и 2014 г.г. соответственно. Вторая зона с максимальным значением индекса ФА -0,064 зарегистрирована в 2013 г. в северной части города. Третья зона с максимальным значениями

индекса ФА - 0,060 выявлена в южной части промышленной зоны в 2014 г.

Большое влияние на формирование зон с максимальными значениями индекса ФА в 2013-2014 г.г. оказывало преобладающее направление ветра за период вегетации березы повислой (Betula pendula Roth.). В целом, за исследуемый период в г. Нижнекамск отмечается тенденция снижения индекса ФА, и, следовательно, тенденция улучшения качества ОС.

Литература

1. А.А. Королев, Медицинская экология, Академия, Москва, 2003. 192 с.

2. Численность населения Российской Федерации по муниципальным образованиям на 1 января 2013 года. - М.: Федеральная служба государственной статистики Рос-стат, 2013. 528 с.

3. А.Г. Сидоров, В.З. Латыпова, Вестник НЦ БЖД, 1(19), 115-122 (2014).

4. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Татарстан в 2014 году», Казань, 2015. 531 с.

5. Comparative Quantification of Health Risks: Global and Regional Burden of Disease Attributable to Selected Major RiskFactors/ed. M. Ezzati et al. vol. 1 and 2. 2004.

6. Б.А. Ревич, Проблемы прогнозирования, 4, 87-99 (2010).

7. Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, Е.В. Никитина, Р.А. Минлебаева, Вестник НЦ БЖД, 1(19), 110-115 (2014).

8. Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, Е.В. Никитина, Р.А. Минлебаева, Труды третьей международной научно-практической конференции молодых ученых «Индика-

ция состояния окружающей среды: теория, практика, образование», Буки-Веди, Москва, 2014. С. 60-63.

9. Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, Вестник НЦ БЖД, 2(24), 126-131 (2015).

10. Д.Б. Гелашвили, Е.В. Чупрунов, Д.И. Иудин, Журнал общей биологии, 65, 4, 385 (2004).

11. Д.Б. Гелашвили, Поволжский экологический журнал, 2, 106-115 (2007).

12. В.М. Захаров, Н.П. Жданова, Е.Ф. Кирик, Ф.Н. Шкиль, Онтогенез, 32, 6, 404-421 (2001).

13. A.R. Palmer, C. Strobeck, Acta Zool. Fenn, 191, 57-72 (1992).

14. В.М. Захаров, А.С. Баранов, В. И. Борисов и др., Здоровье среды: методика оценки, Центр экологической политики России, Москва 2000, 66 с.

15. О.В. Чернышенко, Поглотительная способность и газоустойчивость древесных растений в условиях города, МГУЛ, Москва, 2002. 120 с.

16. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур) / МПР РФ от 16.10.03, №460-Р. М., 2003. 24 с.

17. В.М. Захаров, А.Т. Чубинишвили, С.Г. Дмитриев и др., Здоровье среды: практика оценки, Центр экологической политики России, Москва, 2000. 320 с.

18. Ю.В. Беляева, Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии, 23, 3, 2-170 (2013).

19. Я. Д. Ткаченко, Вестник АПК Ставрополья, 1(5), 109 (2012).

20. А.А. Гуртяк, В.В. Углев, Известия Томского политехнического университета, 317, 1, 200-204 (2010).

21. В.Ю. Солдатова, Автореф. дис. канд. биол. наук, Якутск, 2006. 18 с.

© Е. А. Минакова - к.г.н., доцент кафедры биоэкологии, Казанский (Приволжский) федеральный университет. ekologyhel@mail.ru; А. П. Шлычков - к.г.н., старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, anatoliy.shlychkov@yandex.ru; И. Г. Шайхиев - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной экологии, Казанский национальный исследовательский технологический университет; Э. И. Биктемирова - к.п.н, доцент, Казанский государственный архитектурно-строительный университет, novella@mail.ru.

© E. A. Minakova - Ph.D., assistant professor of bio-ecology, Kazan (Volga) Federal University, ekologyhel@mail.ru; A. P. Shlychkov - Ph.D., Senior Research Fellow, Institute of Ecology and Mineral Sciences of the Republic of Tajikistan, anatoliy.shlychkov@yandex.ru; 1 G. Shaikhiev - Professor, Head of Department of Environmental Engineering, Kazan National Research Technological University, E. I. Biktemirova - Ph.D, Associate Professor, Kazan State University of Architecture and Construction, novella@mail.ru.