ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

гимназия № 12 г. Минска

Учебно-исследовательская работа на тему:

«Использование растения-индикатора Betula pendula Roth. для оценки состояния окружающей среды»

Авторы работы: Научный руководитель: Смольник Надежда Сергеевна, преподаватель-стажер кафедры экологической и молекулярной генетики (УО «Международный государственный экологический университет им.А.Д. Cахарова»)

Минск, 2012

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях, в связи с постоянно растущими темпами антропогенного влияния на окружающую среду, возникла необходимость в разработке методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ.

Перспективным направлением для решения данной задачи является применение биологических методов, основанных на использовании показателей чувствительных к состоянию окружающей среды организмов-биоиндикаторов [1].

Методы биотестирования используются для определения токсических свойств окружающих нас сред: воздуха, воды, почвы, так как дают интегральную оценку сочетанного эффекта всех факторов среды на биологические структуры с учетом их взаимодействия, что невозможно сделать в модельном эксперименте. Кроме того имеется еще ряд позитивных обстоятельств: во-первых, указанные среды обычно содержат большое количество ингредиентов, токсикологические свойства которых не всегда характеризуются простой суммой свойств каждого из них; во-вторых, среда часто загрязнена неустойчивыми продуктами взаимодействия и распада, которые иногда токсичнее исходных веществ; в-третьих, количество присутствующих в окружающей среде загрязнителей значительно превышает число удовлетворительных физико-химических методов анализа, позволяющих контролировать их содержание на предельно допустимом уровне [2].

Наиболее остро изменения окружающей природной среды отражаются на растительном мире, поэтому растения считаются надежными индикаторами загрязнения природной среды различными токсическими веществами. К настоящему времени накопилось достаточно информации об индикационной роли растений. Прежде всего, это связано с воздействием загрязняющих веществ на листовой аппарат, благодаря способности листьев осаждать из воздуха наибольшее количество примесей. Растения вынуждены адаптироваться к стрессовому воздействию среды с помощью физиолого-биохимических и анатомо-морфологических перестроек организма. Фиксация и оценка этих изменений, которые могут регистрироваться уже на самых ранних стадиях деградации, дают достоверную картину условий места произрастания растений и отражают состояние городской среды.

Актуальность: в нормальных условиях организм реагирует на воздействие среды посредством сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов. Под воздействием неблагоприятных условий эти механизмы могут быть нарушены, что приводит к изменению развития. Прежде всего, уровень гомеостаза развития может быть оценен с морфологической точки зрения. Для этой цели применяется метод флуктуирующей асимметрии. Флуктуирующей асимметрией называют небольшие ненаправленные (случайные) отклонения от двусторонней симметрии у организмов или их частей (например, листьев березы). Величину флуктуирующей асимметрии у разных видов организмов используют как индикатор состояния среды, степени антропогенного загрязнения.

Цель работы – оценить качество среды с применением методики анализа морфометрических признаков растения-биоиндикатора Betula pendula.

Задачи:

1. Знакомство с морфологическим описанием берёзы повислой (Betula pendula);

2. Выбор различных мест произрастания берёзы повислой в городе Минске и проведение практической работы по сбору материала (берёзовых листьев).

3. Изучение динамики морфометрических показателей (флуктуирующая асимметрия листьев) Betula pendula Roth. при разной степени антропогенной нагрузки.

4. Определение содержания тяжелых металлов в почвенных образцах и растительной биомассе при разной интенсивности воздействия урбанизированной среды.

5. Интерпретация результатов исследования.

1 Мониторинг окружающей среды

Мониторинг от английского «monitoring» - контроль, смысл; от латинского «monitor» - напоминающий, предостерегающий, надзирающий.

Термин "мониторинг" появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972г. Под мониторингом было решено понимать систему непрерывного наблюдения, измерения и оценки состояния окружающей среды.

Важным решением Стокгольмской конференции была рекомендация по созданию глобальной системы мониторинга окружающей среды (GEMS).

Мониторинг окружающей среды - регулярные, выполняемые по единообразной заданной программе наблюдения природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить изменения их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности.

Экологический мониторинг - мониторинг окружающей природной среды, при котором обеспечивается постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов), а также оценка состояния и функциональной целостности экосистем.

Основная цель экологического мониторинга состоит в обеспечении системы управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью своевременной и достоверной информацией, которая позволяет:

• оценить показатели состояния функциональной целостности экосистем и среды обитания человека;

• выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений, а также определить корректирующие меры в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются;

• создать предпосылки для определения мер по исправлению создающихся негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб.

В настоящее время особое внимание уделяется методам биологического мониторинга, которые основаны на использовании живых организмов, особенно чувствительных к конкретным химическим веществам. Использование методов биомониторинга не требует больших экономических затрат, а также позволяет оценить качество среды в случаях, когда количественное содержание загрязнителя может быть определено каким-либо методом, но отсутствуют сведения о биологической активности загрязнителя.

1.1 Биотестирование. Биоиндикация

Особую роль в оценке состояния окружающей среды играют биологические тесты. Это связано с тем, что результаты химического анализа, проводимого с помощью сложного аналитического оборудования, во многих случаях не позволяют оценить истинную опасность тех или иных загрязнителей на среду обитания, прогнозировать последствия их воздействия на живые организмы. Многообразные загрязняющие вещества, попадая в окружающую среду, могут претерпевать в ней различные превращения, усиливая при этом свое токсическое действие. По этой причине оказались необходимыми методы интегральной оценки качества среды (воды, почвы, воздуха). Огромную роль при этом играют методы биотестирования и биоиндикации [3].

Под биотестированием понимают приемы исследования, при котором о качестве среды, факторах, действующих самостоятельно или в сочетании с другими, судят по выживаемости, состоянию и поведению специально помещенных в эту среду организмов – тест-объектов. Биоиндикация – родственный биотестированию прием, использующий для этих же целей организмы, обитающие в исследуемой среде. При выборе таких организмов приходится соблюдать определенные требования, среди которых возможность фиксировать четкую, воспроизводимую и объективную реакцию на воздействие внешних факторов, чувствительность этой реакции на малые содержания загрязнителей и др.

Биоиндикацию можно проводить на уровне молекул, клеток, органов (систем органов), организмов, популяций и даже биоценоза. Повышение уровня организации живой природы может приводить к усложнению, неоднозначности взаимосвязи биологического отклика с антропогенными факторами исследуемой среды, поскольку на них могут накладываться и природные факторы. Поэтому в качестве биотестов выбирают наиболее чувствительные к исследуемым загрязнителям организмы.

Использование биохимических реакций (молекулярный уровень индикации) связано с тем, что они наиболее чувствительны к воздействию внешних загрязнителей. В присутствии загрязнителей окружающей среды, например, происходит уменьшение содержания хлорофилла в мембранах хлоропластов растений или понижается способность фитопланктона к продуцированию кислорода в процессе фотосинтеза. Это может служить индикаторным признаком воздействия на живую природу газопылевых выбросов предприятий или токсичных компонентов сточных вод.

На фиксации морфологических отклонений растений от нормы под действием загрязнителей основана биоиндикация на тканевом уровне. Исторически именно морфологические реакции организмов на техногенные факторы вошли в практику оценки качества среды. Еще в середине XIX века бельгийские и английские ученые описывали факты повреждений растений вблизи фабрик. К морфологическим отклонениям высших растений относят изменение окраски листьев, хлороз, пожелтение, некроз (омертвление), увядание листвы и ее опадание. Разработаны специальные шкалы некрозов, позволяющие оценивать интегральную степень загрязнения данной местности. Морфологические индикаторы на основе лишайников нашли применение в системах экологического мониторинга многих стран. Хорошими примерами таких морфологических индикаторов являются обыкновенный кресс-салат и табак сорта BEL W3, который выведен специально для мониторинга содержания озона в промышленных регионах. Даже малые дозы О3 в атмосфере вызывают на листьях этого табака некротические пятна. Для сравнения рядом с биотестом высаживают озоноустойчивый сорт табака BELB. В свою очередь, кресс-салат, выращенный в чашках Петри, служит хорошим тестом на загрязнение почвы и воды. Биологическими параметрами являются длина проростков и корешков, общая масса растений по сравнению с контрольными. Биоиндикацию многолетнего воздействия антропогенных факторов на растительность можно провести, измеряя ширину годичных колец у контрольных деревьев. Биологическим индикатором служит также прирост в длину горизонтальных ветвей взрослых деревьев. Несмотря на специфичность отклика этих факторов на воздействие загрязнителей, такой способ позволяет проводить довольно точную биоиндикацию с малыми затратами.

При проведении биологического тестирования на уровне организмов выбор биологических переменных предполагает, что отклик должен коррелировать с изменениями на экосистемном уровне. Выявить такую зависимость на практике достаточно сложно. Однако такие показатели организмов, как рост особей, их продуктивность, выживаемость, состояние органов дыхания, состава крови и плазмы удается использовать для биологического тестирования состояния среды.

Проблема установления химического состава различных объектов, содержания опасных для здоровья человека компонентов решается различными методами, однако наблюдается стремительный рост так называемых полевых аналитических технологий. Они предполагают все более возрастающее использование в аналитических процедурах биосенсоров [4], химических сенсоров и тест-методов. Эта тенденция связана с необходимостью приблизить источник получения информации о составе среды непосредственно к месту события, по возможности сделать его индивидуальным и экономичным.

1.2 ФАКТОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Абиотические факторы — (от греч. а - отрицательная приставка и biotikos - жизненный, живой), факторы неорганической среды, влияющие на живые организмы. К абиотическим факторам относят состав атмосферы, морcких и пресных вод, почвы, климатические характеристики (температура, давление и другие). Совокупность тех или иных абиотических факторов в значит, степени определяет состав и структуру сообществ живых организмов. Для сельскохозяйственных растений особенно важны газовый, водный и ветровой режимы, минеральный состав почвы и уровень солнечной радиации. Численность, биомасса, продуктивность и пространств, распределение организмов в пределах ареала зависят от лимитирующих факторов. В свою очередь, живые организмы могут влиять на абиотическую среду, напр., растения, заселяющие бедные почвы, постепенно изменяют их состав и структуру.

Биотические факторы среды - совокупность влияний, оказываемых на организмы жизнедеятельностью других организмов. Эти влияния носят самый разнообразный характер. Живые существа могут служить источником пищи для других организмов, являться средой обитания (например, организм-хозяин, в котором поселяются паразиты), способствовать их размножению (например, деятельность животных-опылителей), оказывать химическое (токсины бактерий), механическое и другие воздействия. В отличие от абиотических факторов среды, действие биотических факторов проявляется в форме взаимовлияния живых организмов разных видов друг на друга. Так, растения выделяют кислород, необходимый для дыхания животных, а животные обеспечивают поступление в атмосферу углекислого газа, который используется растениями в процессе фотосинтеза; деятельность хищников оказывает влияние на динамику численности их жертв, что, в свою очередь, сказывается на изменениях численности хищников. Действие биотических факторов. Может быть не только непосредственным, но и косвенным, выражаясь в изменении условий окружающей неживой природы (например, изменение состава почвы бактериями или изменение микроклимата под пологом леса).

Антропогенные факторы — среды, факторы, обусловленные хозяйственной деятельностью человека и влияющие на природную среду. Воздействие их может быть прямым, напр. ухудшение структуры и истощение почв вследствие многократной обработки, или косвенным, например изменения рельефа, климата, физического и химического состава атмосферы и водоёмов. Нарушение природных местообитаний, загрязнение окружающей природной среды отходами промышленности, пестицидами вызывают серьёзные сдвиги в экологическом равновесии, изменяют естественные сообщества растений и животных. При этом многие виды исчезают. Разводя культурные растения и домашних животных, человек создал искусственные, природные сообщества - агробиоценозы. Мощное по масштабам и возможным последствиям воздействие человека на природу поставило человечество перед необходимостью принятия научно разработанных мер по сохранению и рациональному использованию ресурсов биосферы.

Чтобы обеспечить свое существование, человечество должно иметь пищу, воду, кров, одежду и т.д. Все это с неизбежностью предполагает образование различного рода отходов, которые поступают в окружающую среду. Во избежание ненужного, а порой и непоправимого ущерба, наносимого природной среде, такое воздействие должно тщательно планироваться. При этом следует сочетать удовлетворение потребностей человека с активной защитой природной среды от последствий человеческой деятельности. Как правило, эти цели не исключают друг друга, хотя в некоторых случаях приходится принимать компромиссные решения.