Samara Journal of ScienceSamara Journal of ScienceСамарский научный вестник2309-43702782-3016Samara State University of Social Sciences and Education2212910.17816/snv2016410503.02.00 – General Biology03.02.00 – общая биологияResearch ArticleApplication of fractal analysis for bioindication evaluation of the environmental assessmentПрименение метода фрактального анализа для биоиндикационной оценки состояния окружающей средыMolchatskySergey LvovichМолчатскийСергей Львович
Russian Federation

candidate of physical and mathematical sciences, associate professor of Chemistry, Geography and Methods of Teaching Department

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры химии, географии и методики их преподавания

rvsn3213@mail.ruKazantsevIvan VictorovichКазанцевИван Викторович
Russian Federation

candidate of biological sciences, dean of Faculty of Natural Sciences and Geography, associate professor of Chemistry, Geography and Methods of Teaching Department

Кандидат биологических наук, декан естественно-географического факультета, доцент кафедры химии, географии и методики их преподавания

kazantsev.ivan@pgsga.ruMatveevaTatyana BorisovnaМатвееваТатьяна Борисовна
Russian Federation

candidate of biological sciences, associate professor of Biology, Ecology and Methods of Teaching Department

кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии, экологии и методики обучения

matabor.7@yandex.ruSamara State University of Social Sciences and EducationСамарский государственный социально-педагогический университет0112201654NO4 (2016)№4 (2016)283110032020Copyright ©; 2016, Molchatsky S.L., Kazantsev I.V., Matveeva T.B.Copyright ©; 2016, Молчатский С.Л., Казанцев И.В., Матвеева Т.Б.2016Molchatsky S.L., Kazantsev I.V., Matveeva T.B.Молчатский С.Л., Казанцев И.В., Матвеева Т.Б.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://snv63.ru/2309-4370/article/view/22129

The paper analyzes the currently existing methods of bioindication studies of the environment pollution as well as studies their characteristics and applications. Particular attention from this group of methods is given to lichen indication and assessing the degree of fluctuating asymmetry of the leaf and its irregularity, because they are based on a study of the geometric characteristics of biological samples by means of mathematical processing using special software. It proves the possibility and prospects of application of the measuring method of fractal dimension for the qualitative and quantitative assessment of environmental pollution. Presented data show that the inclusion of the fractal nature of biological systems allows discovering and exploring a completely new range of phenomena in biology. The coincident of this method is provided with the goals and objectives by the appropriate mathematical apparatus. Within the framework of this approach it is possible to design and use new advanced monitoring techniques. In the final part of the paper a new concept of bioindication, which is based on a synthesis of both classical and innovative approaches to the study and assessment of environmental quality in the conditions of technogenic pollution, is proposed.

В данной статье проанализированы существующие на данный момент биоиндикационные методы исследования антропогенного загрязнения окружающей среды и рассмотрены особенности и область их применения. Особое внимание из данной группы методов уделено лихеноиндикации и оценке степени выраженности флуктуирующей асимметрии листовой пластинки и её изрезанности, т.к. они основаны на изучении геометрических характеристик структуры биологических объектов с помощью математической обработки данных с использованием специальных компьютерных программ. Показана возможность и перспективность применения метода измерения фрактальной размерности для качественной и количественной оценки загрязнения окружающей среды. Представленные в работе данные показывают, что учёт фрактальной природы в биологических системах позволяет обнаружить и исследовать принципиально новый круг явлений в биологии. Адекватность этого метода поставленным целям и задачам обеспечивается соответствующим математическим аппаратом. В рамках этого подхода оказывается возможным разработка и использование новых перспективных мониторинговых методов. В заключительной части работы предложена новая концепция биоиндикации, основанная на синтезе как классических, так и инновационных подходов к изучению и оценке качества окружающей среды в условиях техногенного загрязнения.

anthropogenic pollutionbioindicationbiological indicatorsfluctuating asymmetryleafwoody plantslichen indicationlichenanthropogenic impactpollutantspollutantsfractal dimensionfractal analysisfractal clustersантропогенное загрязнениебиоиндикациябиологические индикаторыфлуктуирующая асимметриялистовая пластинкадревесные растениялихеноиндикациялишайникантропогенное воздействиезагрязнителиполлютантыфрактальная размерностьфрактальный анализфрактальные кластерыThis article is being published with partial support of the RFBR grant No. 16–44–630414 r_a.Статья публикуется при частичной поддержке гранта РФФИ № 16–44–630414 р_а.Груздев В.С. Биоиндикация состояния окружающей среды. М.: Изд-во ГУЗ, 2008. 142 с.Биологический контроль окружающей среды, биоиндикация и биотестирование / под ред. О.П. Мелеховой и Е.И. Егоровой. М.: Издательский центр «Академия», 2007. 288 с.Заболотских В.В., Васильев А.В. Мониторинг токсического воздействия на окружающую среду с использованием методов биоиндикации и биотестирования. Самара: СНЦ РАН, 2012. 232 с.Рассадина Е.В. Биоиндикация и ее место в системе мониторинга окружающей среды // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2007. № 2(5). С. 48-53.Выходцева И.С., Рыхлова Т.А. Биоиндикация как метод оценки окружающей среды: актуальность и перспективы исследования // Вестник ландшафтной архитектуры. 2015. № 6. С. 44-47.Филиппов Е.С., Иванисова Н.В., Куринская Л.В. О биоиндикации транспортно-селитебных ландшафтов методом флуктуирующей асимметрии // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2014. № 6(184). С. 68-72.Майджи О.В., Буланкина Е.Г. Исследование качества окружающей среды методом флуктуирующей асимметрии // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2012. № 13. С. 33-38.Гуртяк А.А. Экологическая оценка урбанизированных территорий с применением коэффициента флуктуирующей асимметрии: автореф. дис. … канд. биол. наук. Тюмень, 2013. 16 с.Попова Е.И. Применение коэффициента флуктуирующей асимметрии для экологической оценки антропогенной нагрузки // В мире научных открытий. 2013. № 11(47). С. 305-314.Трубина Л.К., Храмова Е.П., Луговская А.Ю. Оценка качества окружающей среды урбанизированной территории по величине флуктуирующей асимметрии листа // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2013. Т. 4. № 2. С. 185-188.Кулябина Е.Ю. Региональные особенности лихеноиндикационного мониторинга качества атмосферного воздуха на примере урбанизированных и особо охраняемых территорий нижегородской области: автореф. дис. … канд. биол. наук. Нижний Новгород, 2003. 26 с.Рутман В.В., Резник Е.Н. Применение фрактального анализа и изучения цветометрических характеристик в лихеноиндикации // Экология родного края: проблемы и пути решения: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Киров, 2016. С. 328-331.Миннуллина Г.Р. Совершенствование методов лихеноиндикации для оценки качества атмосферного воздуха урбанизированной территории: автореф. дис. … канд. биол. наук. Уфа, 2006. 21 с.Giordani P., Brunialti G., Alleteo D. Effects of atmospheric pollution on lichen biodiversity (LB) in a mediterranean region (Liguria, northwest Italy) // Environmental Pollution. 2002. Т. 118. № 1. P. 53-64.Бязров Л.Г. Лишайники в экологическом мониторинге. М.: Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, 2002. 336 с.Коротченко И.С. Флуктуирующая асимметрия листьев тополя как тест-система в условиях автотранспортного загрязнения // Международный журнал экспериментального образования. 2014. № 11-2. С. 56-57.Гуртяк А.А., Углев В.В. Оценка состояния среды городской территории с использованием березы повислой в качестве биоиндикатора // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2010. Т. 317. № 1. С. 200-204.Федорова Т.А. Флуктуирующая асимметрия листа липы мелколистной (Tilia cordata Mill.) как биоиндикационный параметр оценки качества среды // Вестник Курганского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2013. № 3(30). С. 41-43.Бабушкина Е.А., Белокопытова Л.В., Костякова Т.В. Оценка флуктуирующей асимметрии листьев нескольких видов древесных растений как индикатора состояния окружающей среды // В мире научных открытий. 2013. № 7.3(43). С. 11-29.Коротченко И.С. Влияние теплоэнергетического комплекса г. Красноярска на величину флуктуирующей асимметрии листовой пластинки тополя бальзамического // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2015. № 8. С. 15-20.Гелашвили Д.Б., Чупрунов Е.В., Иудин Д.И. Структурные и биоиндикационные аспекты флуктуирующей асимметрии билатерально-симметричных организмов // Журнал общей биологии. 2004. Т. 65. № 5. С. 433-441.Bruteig I.E. The epiphytic lichen Hypogymnia physodes as a biomonitor of atmospheric nitrogen and sulphur deposition in Norway // Environmental Monitoring and Assessment. 1993. № 26. P. 27-47.Слонов Т.Л. Лихеноиндикация загрязненности окружающей среды // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2010. № 2. С. 111-115.Сафранкова Е.А. Комплексная лихеноиндикация общего состояния атмосферы урбоэкосистем: автореф. дис. … канд. биол. наук. Брянск, 2014. 23 с.Лыгин С.А., Ваниева А.С. Оценка загрязнения воздуха методом лихеноиндикации // Естественные и математические науки в современном мире. 2014. № 18. С. 187-191.Анищенко Л.Н., Сковородникова Н.А., Борздыко Е.В. Химическая лихеноиндикация как основа биомониторинга воздуха в антропогенных экосистемах // Фундаментальные исследования. 2015. № 2-10. С. 2144-2148.Jovan S., McCune B. Air-quality bioindication in the greater Central Valley of California, with epiphytic macrolichen communities // Ecological Applications. 2005. № 15. P. 1712-1726.Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Ижевский институт компьютерных исследований, 2002. 856 с.Weibel E.R. Design of biological organisms and fractal geometry // Fractal in biology and medicine. Basel: Birkhäuser, 1994. P. 68-85.Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991. 134 с.Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. 260 с.Гелашвили Д.Б., Иудин Д.И., Розенберг Г.С., Якимов В.Н., Солнцев Л.А. Фракталы и мультифракталы в биоэкологи. Н. Новгород: Изд-во Нижегород. госун-та, 2013. 370 с.Гелашвили Д.Б., Иудин Д.И., Якимов В.Н., Солнцев Л.А., Снегирева М.С., Варичев А.Н., Розенберг Г.С. Фрактальные аспекты популяционной экологии // Вестник Удмуртского университета. Серия Биология. Науки о Земле. 2009. № 6-1. С. 15-22.Молчатский С.Л. Фрактальная организация и самоорганизация нейронных структур мозга: монография. Самара: ПГСГА, 2015. 133 с.Weibel E.R. Fractal geometry - a design principle for living organisms // Amer. J. Physiol. 1991. V. 261. № 6. P. 361-369.Nonnenmacher F., Losa G.A., Weibel E.R. Fractals in biology and medicine: Basel: Birkhäuser Verlag, 1994. 421 p.Исаева В.В., Каретин Ю.А., Чернышев А.В., Шкуратов Д.Ю. Фракталы и хаос в биологическом морфогенезе: монография. Владивосток: ИБМ ДВО РАН, 2004. 128 с.Захаров В.М. Здоровье среды: методика оценки. М.: Центр экол. политики России, 2000. 68 с.