Comparative analysis of the effectiveness of bioindication methods in monitoring environmental studies in St Petersburg

Authors

  • Marina G. Opekunova St. Petersburg State University, Russia, St. Petersburg, Universitetskay Emb., 7/9, 199034
  • Anna R. Nikulina St. Petersburg State University, Russia, St. Petersburg, Universitetskay Emb., 7/9, 199034
  • Irina V. Smeshko Pacific State University, Russia, Khabarovsk, Khabarovsk, Pacific st., 136, 680035
  • Valeria S. Kirichenko St. Petersburg State University, Russia, St. Petersburg, Universitetskay Emb., 7/9, 199034

DOI:

https://doi.org/10.21638/spbu07.2023.207

Abstract

The purpose of the research is to evaluate the effectiveness of bioindication methods in determining the state of the environment in St. Petersburg on the example of Vasileostrovsky and Pushkinsky districts. The content of chemical elements in soils, poplar bark Populus balsamifera, Tilia cordata and Betula pendula leaves, moss (Sphagnum angustifolium) and lichen (Cladonia stellaris) traps was studied, the integral index of fluctuating asymmetry of linden leaves T. cordata and birch B. pendula was calculated, soil biotesting using Daphnia magna and Chlorella vulgaris was carried out. It is established that the main sources of pollution of the urban environment are motor transport, the Baltic plant in Vasileostrovsky district and the industrial zones "Shushary" and "Pushkinskaya" in Pushkin district. The territory of the park zone of the Pushkin district can be considered as a conditional background for environmental monitoring. The use of fluctuating asymmetry of tree species leaves in bioindication studies is recommended only in conjunction with the results of chemical analysis. Poplar bark seems to be the most convenient bioindicator for assessing environmental pollution over a long period, the chemical composition of the leaves of tree species (linden T. cordata and birch B. pendula) reflects information about the intake of pollutants during one growing season, analysis of the chemical composition of moss and lichen traps allows you to determine the intake of pollutants in a relatively short period of time and identify sources of pollution. To assess the ecological state of the urban environment on the basis of the Harrington desirability function, an integral bioindication parameter BIP has been developed, taking into account the degree of transformation of individual environmental components under the influence of anthropogenic load: a change in the chemical composition of plants relative to clark (background) values; the manifestation of fluctuating asymmetry of tree species leaves compared to the norm. The effectiveness of BIP application for geoecological assessment of the state of the environment in cities is shown.

Keywords:

bioindication, biotesting, pollution, metals, soils, integral bioindication parameter, Harrington's desirability function, Populus balsamifera Bieb. crust, Tilia cordata L. leaves, Betula pendula Roth. leaves, fluctuating leaf asymmetry, Daphnia magna Straus, Chlorella vulgaris Beijer

Downloads

Download data is not yet available.
 

References

Анищенко, Л. Н., Сковородникова, Н. А., Борздыко, Е. В. (2015). Химическая лихеноиндикация как основа биомониторинга воздуха в антропогенных экосистемах. Фундаментальные исследования, 2, 2144–2148.

Баргальи, Р. (2005). Биогеохимия наземных растений. М.: ГЕОС.

Бардина, Т. В., Чугунова, М. В., Капелькина, Л. П., Бардина, В. И. (2014). Биологическая оценка токсичности городских почв в почвенно-экологическом мониторинге. Экология урбанизированных территорий, 2, 87–91.

Беляев, Д. С. и Серебрицкий, И. А., под ред. (2021). Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2020 году. Правительство Санкт-Петербурга. Ижевск: ООО «ПРИНТ».

Бязров, Л. Г. (2002). Лишайники в экологическом мониторинге. М.: Научный мир.

Ветчинникова, Л. В., Кузнецова, Т. Ю., Титов, А. Ф. (2013). Особенности накопления тяжелых металлов в листьях древесных растений на урбанизированных территориях в условиях Севера. Труды Карельского научного центра РАН, 3, 68–73.

Водяницкий, Ю. Н. (2017). Оценка суммарной токсикологической загрязненности почв тяжелыми металлами и металлоидами. Агрохимия, 2, 56–63.

Горохова, И. Н., Куприянова, Е. И., Прокуронов, И. Б., Харитонов, В. А. (2010). Биоиндикация и мониторинг экологического состояния мегаполисов с использованием геоинформационных технологий (на примере Москвы). Экология промышленного производства, 1, 13–16.

Горький, А. В. и Петрова, Е. А. (2006). Загрязнение почв Санкт-Петербурга тяжелыми металлами. Сайт Российского геоэкологического центра. [online] Доступно на: http://www.rgec.ru/articles/. [Дата доступа 15.12.2021].

Добровольский, В. В. (1998). Основы биогеохимии. М.: Высшая школа.

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

Иванова, Р. Р. (2012). Оценка состояния окружающей среды по содержанию тяжелых металлов в почве и растительности города. Научный журнал КубГАУ, 81 (07), 1–10.

Ильин, В. Б. (1991). Тяжелые металлы в системе почва — растение. Новосибирск: Наука.

Кабата-Пендиас, А. и Пендиас, Х. (1989). Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир.

Касимов, Н. С., Битюкова, В. Р., Малхазова, С. М., Кошелева, Н. Е., Никифорова, Е. М., Шартова, Н. В., Власов, Д. В., Тимонин, С. А., Крайнов, В. Н. (2014). Регионы и города России: интегральная оценка экологического состояния. М.: ИП Филимонов М. В.

Касимов, Н. С. и Власов, Д. В. (2015). Кларки химических элементов как эталоны сравнения в экогеохимии. Вестник Московского университета. География, 2, 7–17.

Копылова, Л. В. (2012). Оценка уровня загрязнения почв тяжелыми металлами и интенсивность поглощения их древесными растениями. Ученые записки ЗабГГПУ, 1 (42), 70–75.

Кошелева, Н. Е., Касимов, Н. С., Сорокина, О. И., Гунин, П. Д. (2012). Геохимия техногенных ландшафтов г. Улан-Батор. В: Геохимия ландшафтов и география почв. 100 лет со дня рождения М. А. Глазовской. М.: АПР, 207–235.

Лайус, Д. Л., Грэм, Д. Х., Католикова, М. В., Юрцева, А. О. (2009). Флуктуирующая асимметрия и случайная фенотипическая изменчивость в популяционных исследованиях: история, достижения, проблемы. Вестник Санкт-Петербургского университета. Биология, 3, 98–110.

Опекунова, М. Г. (2013). Диагностика техногенной трансформации ландшафтов на основе биоиндикации. Дис. … д-ра геогр. наук. Санкт-Петербургский государственный университет.

Опекунова, М. Г., Арестова, И. Ю., Елсукова, Е. Ю., Шейнерман, Н. А. (2015). Методы физико-химического анализа почв и растений: метод. указания. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та.

Опекунова, М. Г. и Башарин, Р. А. (2014). Применение флуктуирующей асимметрии листьев березы (Betula pubescens Ehrh) для оценки загрязнения окружающей среды в районе Костомукши. Вестник Санкт-Петербургского университета. Геология. География, 3, 58–70.

Опекунова, М. Г., Захарян, Л. С., Вокуева, О. В., Константинова, А. Ф. (2011). Экологический мониторинг загрязнения Василеостровского района Санкт-Петербурга с использованием тополя бальзамического (Populus balsamifera L.). Известия РГО, 1434 (2), 31–44.

Опекунова, М. Г. и Кошелева, Д. И. (2015). Экологический мониторинг загрязнения Василеостровского района Санкт-Петербурга с использованием методов фитоиндикации. В: Экологические проблемы промышленных городов: сборник научных трудов по материалам 7-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Саратов, 08–10 апреля 2015 года. Саратов: Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина, 160–163.

Опекунов, А. Ю., Митрофанова, Е. С., Спасский, В. В., Опекунова, М. Г., Шейнерман, Н. А., Чернышова, А. В. (2020). Химический состав и токсичность донных отложений малых водотоков Санкт-Петербурга. Водные ресурсы, 47 (2), 196–207. https://doi.org/ 10.31857/S032105962002011X

Опекунова, М. Г., Никулина, А. Р., Лутовинова, Д. Д., Мельник, А. В., Дергилева, Е. В., Грантовская, М. В., Вольнова, Т. Н. (2022). Сравнительный анализ результатов мониторинговых исследований состояния окружающей среды в Василеостровском районе Санкт-Петербурга с применением методов биоиндикации. В: Охрана окружающей среды — основа безопасности страны: сб. ст. по мат-лам Междунар. науч. экол. конф. Краснодар: КубГАУ, 378–381.

Опекунов, А. Ю. и Опекунова, М. Г. (2014). Интегральная оценка загрязнения ландшафта с использованием функции желательности Харрингтона. Вестник Санкт-Петербургского университета. Геология. География, 4, 101–113.

Сает, Ю. Е. и Смирнова, Р. С. (1983). Геохимические принципы выявления зон воздействия промышленных выбросов в городских агломерациях. Вопросы географии, 120, 45–55.

Сенькин, О. В., Опекунова, М. Г., Щербаков, В. М. (2000). Ландшафтно-экологическое картографирование и экологическая оценка нарушенных территорий с применением методов биоиндикации: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та.

Серебрицкий, И. А., под ред. (2015). Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2014 году. Правительство Санкт-Петербурга. СПб.: ООО «Дитон».

Терехина, Н. В., Семёнов, О. М., Фирсов, Г. А. (2017). Экологическое состояние почв и основных древесных пород в Ботаническом саду Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН. Социально-экологические технологии, 3, 33–50.

Уфимцева, М. Д. и Терехина, Н. В. (2005). Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем Санкт-Петербурга. СПб.: Наука.

Уфимцева, М. Д. и Терехина, Н. В. (2014). Эколого-геохимическая оценка состояния почв исторического центра Санкт-Петербурга. Вестник Санкт-Петербургского университета. Геология. География, 2, 122–136.

Уфимцева, М. Д. и Терехина, Н. В. (2017). Оценка экологического состояния Центрального района Санкт-Петербурга на основе экофитоиндикации. Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле, 62 (2), 209–217. https://doi.org/10.21638/11701/spbu07.2017.206

Цыпленков, В. П. (1994). Почвы садов и парков Санкт-Петербурга. Жизнь и Безопасность, 3–4, 55–59.

Шуберт, Р. (1988). Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. М.: Мир.

Alekseeva-Popova, N. V., Drozdova, I. V., Kalimova, I. B. (2015). Accumulation of heavy metals by North Caucasian plant species of the Cruciferae family in regards to phytoremediation. Geochemistry International, 53 (5), 456–463. https://dx.doi.org/10.1134/S0016702915030027

Alexeeva-Popova, N. V. and Drozdova, I. V. (2013). Micronutrient composition of plants in the Polar Urals under contrasting geochemical conditions. Russian Journal of Ecology, 44 (2), 100–107. https://dx.doi.org/10.1134/S1067413613020033

Aslan, A., Çiçek, A., Yazici, K., Karagöz, Y., Turan, M., Akku, F., Yildirim, O. S. (2011). The assessment of lichens as bioindicator of heavy metal pollution from motor vehicles activites. African Journal of Agricultural Research, 6 (7), 1698–1706. https://dx.doi.org/10.5897/AJAR10.331

Ataabadi, M., Hoodaji, M., Najafi, P. (2010). Heavy metals biomonitoring by plants grown in an industrial area of Isfahan’ Mobarakeh steel company. Journal of Environmental Studies, 35 (52), 25–27.

Baptista, M. S., Teresa, M., Vasconcelos, S. D., Carbral, J. P., Freitas, C. M., Pacheo, A. M. G. (2008). Copper, nickel, lead in lichens and tree bark transplants over different period of time. Environ. Pollut, 151 (2), 408–413.

Baslar, S., Dogan, Y., Durkan, N., Bag, H. (2009). Biomonitoring of zinc and manganese in bark of Turkish red pine of western Anatolia. Journal of Environmental Biology, 30 (5), 831–834.

Buzmakov, S. A., Andreev, D. N., Nazarov, A. V., Dzjuba, E. A., Shestakov, I. E., Kujukina, M. S., El’kin, A. A., Egorova, D. O., Hotjanovskaja, Ju. V. (2021). Responses of different test objects to experimental soil contamination with crude oil. Russian Journal of Ecology, 52 (4), 267–274. https://dx.doi.org/10.1134/S1067413621040056

Coskun, M. (2006). Toxic metals in the Austrian pine (Pinus nigra) bark in the Thrace region, Turkey. Environmental Monitoring and Assessment, 121, 173–179. https://dx.doi.org/10.1007/s10661-005-9113-5

Fares, M. A., Yusoff, Z., Masdar, N. D., Salmi, M. D. H., Kamal, M. L., Hamzah, Z. (2014). Tree barks as bioindicator for organic and inorganic pollutants: a preliminary study. Jurnal Intelek, 9 (1), 16–22.

Graham, J. H. (2021). Fluctuating asymmetry and developmental instability, a guide to best practice. Symmetry, 13 (1), 1–8. https://dx.doi.org/10.3390/sym13010009

Klosinska, T. and Tulik, M. (2011). The concentration of heavy metals in trees bark and preferences of deer’s nutrition. Forestry and Wood Technology, 74, 183–186.

Kord, B. and Kord, B. (2011). Heavy metal levels in Pine (Pinus eldarica Medw.) tree barks as indicators of atmospheric pollution. BioResources, 6 (2), 927–935.

Kozlov, M. V. (2017). Plant studies on fluctuating asymmetry in Russia: Mythology and methodology. Russian Journal of Ecology, 48 (1), 3–12. https://doi.org/10.1134/S1067413617010106

Oklo, D. A. and Asemave, K. (2012). Heavy metal contents of tree barks as indicator of pollution in Makurdi Metropolis, Benue State — Nigeria. International Journal of Toxicology and Applied Pharmacology, 2 (4), 45–48.

Terehova, V. A. (2022). Biotesting of Soil Ecotoxicity in Case of Chemical Contamination: Modern Approaches to Integration for Environmental Assessment (a Review). Eurasian Soil Science, 55 (5), 601–612. https://doi.org/10.1134/S106422932205009X

Downloads

Additional Files

Published

2023-04-10

How to Cite

Opekunova, M. G. (2023) “Comparative analysis of the effectiveness of bioindication methods in monitoring environmental studies in St Petersburg”, Vestnik of Saint Petersburg University. Earth Sciences, 68(2). doi: 10.21638/spbu07.2023.207.

Issue

Vol. 68 No. 2 (2023)

Section

Articles

License

Articles of "Vestnik of Saint Petersburg University. Earth Sciences" are open access distributed under the terms of the License Agreement with Saint Petersburg State University, which permits to the authors unrestricted distribution and self-archiving free of charge.

Most read articles by the same author(s)