2914

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач обеспечения экологической безопасности является оценка и прогноз антропогенного воздействия на окружающую среду, анализ состояния и использования природных ресурсов, источников антропогенного воздействия, а также компонентов окружающей среды.

Мониторинг среды обитания направлен на решение проблемы специфического (конкретного) антропогенного воздействия на компоненты окружающей среды, а также на проведение оценки состояния природных объектов, и является информационной основой разработки стратегии по управлению качеством окружающей среды в современных условиях.

Развитие информационных и виртуальных технологий позволяет значительно расширить возможности изучения и оценки состояния среды обитания и может рассматриваться как элемент повышения качества подготовки бакалавров по направлению «Техносферная безопасность».

Предлагаемый практикум содержит три главы, в состав которых входит 8 заданий. В первой главе рассматриваются методы анализа и оценки состояния абиотических и биотических компонентов окружающей среды в антропогенноизмененных природных условиях - 3 работы. Вторая глава раскрывает практические аспекты проведения мониторинга состояния экогеосферы Земли с применением дистанционных информационных ресурсов и содержит 2 практических задания. Третья глава включает практикум по использованию виртуальных лабораторий для исследования механизмов химического загрязнения водной среды и содержит 3 виртуальные лабораторные работы.

1.АНАЛИЗ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ АБИОТИЧЕСКИХ

ИБИОТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ВАНТРОПОГЕННО-ИЗМЕНЕННЫХ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЯХ

Биоиндикационный метод оценки качества воздушной среды

«Биоиндикация - это метод выявления и оценки степени воздействия абиотических и биотических условий на живые организмы с использованием биосистем» [2].

Жизнедеятельность растений и животных всегда в большей или меньшей степени зависит от условий среды их обитания, поэтому изменения факторов среды находят отражение в морфологических и функциональных показателях живых организмов. Тем не менее, провести определение и оценку таких показателей инструментальными и лабораторными методами не всегда представляется возможным, что обусловлено разрешающими возможностями приборов или методов химического анализа. Приборными и лабораторными исследованиями можно установить только концентрацию токсических веществ, накопившихся в органах и тканях живых организмов. А биоиндикационные

3

организмы обладают высокой чувствительностью; их реакция проявляется даже на незначительные изменения экологических условий. Кроме того, биоиндикационный метод позволяет увидеть и оценить реакцию живых организмов на суммарное воздействие разных факторов, выявляя, таким образом, синергизм, эмерджентность, ингибирование.

Уровни биоиндикации, которые используются в практикуме:

1)биохимические и физиологические изменения (отклонения в протекании разнообразных процессов и ассимиляция токсикантов в органах и тканях);

2)изменения анатомических и морфологических показателей, биоритмов

иповедения;

3)динамика флористических и фаунистических характеристик. Ценотический, биогеоценотический, ландшафтный уровни исследования

отличаются значительной протяженностью во времени.

На практике биоиндикация реализуется двумя основными методами - пассивным и активным. Первый позволяет исследовать визуальные отклонения от нормальной морфологии и процессов, которые являются ответом на неблагоприятное воздействие; второй позволяет оценить ответную реакцию организмов, отличающихся наибольшей чувствительностью к исследуемому фактору, и называется биотестированием. Фактор, влияние которого требует оценки, может быть одиночным или многокомпонентным.

Уровни проведения биоиндикации: макромолекулярный, клеточный, организменный, популяционный, экосистемный.

«В биоиндикации различают специфические реакции (ответ только на один фактор) и неспецифические (один и тот же ответ на многочисленные факторы)» [2]. Клеточные и организменные процессы, которые могут использоваться как чувствительные биоиндикаторы: динамика ферментативной активности, пигментных характеристик, ассимиляция в наземной части растений. Для биоиндикации могут быть использованы также морфологические показатели: трансформации форм и размеров, в частности, проявления ассиметрии, изменение окраски (хлороз), отмирание частей органов (некрозы). Кроме того, неблагоприятные изменения в окружающей среде отражаются в сокращении периода жизни хвои, уменьшении линейного и радиального приростов.

Различная степень устойчивости растительных организмов к загрязнению окружающей среды позволяет расположить их в ряд по ее возрастанию: грибы - лишайники – хвойные - травянистые растения - листопадные деревья. Среди сельхозкультур наиболее чувствительны к качеству среды салат, люцерна, злаковые, крестоцветные; менее чувствительны - кукуруза, виноград, розоцветные. Необходимо отметить, метод биоиндикации необходимо адаптировать к конкретным экологическим условиям и жизненному циклу индикаторных организмов.

Биоиндикационные методы должны обладать достаточной экспрессностью, точностью и воспроизводимостью. Для проведения биоиндикационных

4

исследований на объекте должно быть достаточное количество организмов, пригодных для индикации.

Задание 1.1

Оценка качественного состояния окружающей среды по набору морфологических признаков у хвойников

Из всего разнообразия растений хвойные древесные виды отличаются сильно выраженной реакцией на загрязнение среды обитания, особенно воздушной среды. Характерная реакция на неблагоприятные изменения среды проявляется у этих растений в виде:

-частичного обесцвечивания или отмирания частей растений;

-увеличения или, наоборот, уменьшения параметров отдельных органов (хвои, новых и прошлогодних побегов, шишек, почек) [3].

Ухудшение качества окружающей среды замедляет ростовые процессы растений, в результате чего прирост побегов и хвои сдерживается. В таких условиях увеличивается плотность хвоинок на побеге (для исследований обычно берут 10-ти сантиметровый отрезок). Кроме того, происходит утолщение хвоинок, и в целом, существенно (практически в 2 раза) падает продолжительность жизненного цикла хвои. Также загрязнение окружающей среды неблагоприятно сказывается на репродуктивных показателях растений. Проводя оценку всей совокупности признаков, можно получить достаточно достоверные и объективные результаты.

Обновление зеленой массы хвойных растений происходит реже, чем у листопадных, что выгодно отличает хвойники как объекты биоиндикации. Возможность круглогодичных наблюдений, как за морфологическими параметрами, так и за биохимическими показателями хвойных растений определяет удобство их использования в качестве биоиндикаторов.

Кроме того, использование хвойных растений позволяет осуществлять биоиндикационные наблюдения на значительных территориях (например, на территориях крупных промышленных комплексов). Их использование на незначительных площадях (например, на прилегающей зоне автодороги, проходящей рядом с хвойным лесом; в городских экосистемах разного ранга и характера) также весьма информативно.

Инструментальное и материальное обеспечение работы

1) линейки; 2) лупы с 4-х и 10-ти кратным увеличением; 3) миллиметровая бумага; 4) ветви одного вида хвойных, произрастающего в городских условиях, или в зоне влияния техногенных объектов; ветви, взятые в условно чистой зоне загородных территорий, 5) электронные гаджеты с доступом к интернету.

5

Порядок выполнения работы

Во время проведения лабораторных занятий, в полевых условиях обучающиеся срезают ветви с хвойников, имеющих приблизительно одинаковый возраст и часто встречающихся в исследуемой местности (сосна обыкновенная, ель обыкновенная и др.). Срезка ветвей производится на высоте 2м со стороны источника загрязнения. Контрольные образцы срезают с одновозрастных деревьев, произрастающих в чистой зоне (заповедник, лесопарковая зона города, лесопосадки).

А. Изучение хвои

А1. «Хвою тщательно изучают с помощью лупы, идентифицируют и фотографируют хлорозы, некрозы кончиков хвоинок и всей поверхности, отмечают их долю (в %) и характер (точки, крапчатость, пятнистость, мозаичность). Обычно повреждения встречаются на самых чувствительных молодых хвоинках и могут быть красновато-бурыми, желто-коричневыми, буровато-сизыми. Перечисленные оттенки также являются информативными качественными признаками» [3].

А2. Выполняют определение болезней и повреждений хвойников, используя мобильные приложения.

Применение приложения «Google Объектив»

Установите приложение «Google Объектив» на своё устройство под управлением «Android» и запустите его (рис. 1).

Если появятся запросы на разрешение использования камеры или файловой системы, то согласитесь. Затем наведите объектив вашего устройства на больной лист. Постарайтесь сделать так, чтобы в кадр попал только лист с максимально большим количеством поражений (рис. 2). По возможности, чтобы была видна и форма листа. И нажмите на кнопку с лупой снизу, чтобы сделать фото. При этом вы должны находиться во вкладке «Поиск» (снизу).

Вы увидите результаты анализа. Например, на скриншоте ниже (рис. 3) показан результат анализа больного листика арбуза. Как видно, приложение смогло определить заболевание, но при этом предложило альтернативные варианты. Поэтому можно предположить, что результат анализа не будет однозначным и точным.

Также изображение с больным растением можно загрузить через галерею устройства.

6

Рис. 1. Применение приложения «Googl Объектив»

Рис. 2. Больной лист арбуза на экране

Рис. 3. Изображение результатов анализа больного листа арбуза

7

Установите приложение «Yandex» на ваше устройство под управлением «Android» или «iOs» и запустите.

Нажмите на иконку в виде фотоаппарата в форме поиска, чтобы начать поиск по изображениям (рис. 4). Наведите объектив на поражённый лист, и нажмите на жёлтую кнопку снизу, чтобы начать анализ фото (рис. 5,6).

8

Затем вы увидите результат с похожими изображениями, где сможете найти название заболевания (рис. 7).

Необходимо зафиксировать результаты исследований (скриншоты и описание) для отчета.

А3. Определяют длину и ширину (в средней части) хвоинок, растущих на прошлогоднем побеге. Необходимо провести 10-20-кратную повторность измерений ввиду значительной изменчивости биометрических признаков.

9

А4. Определяют продолжительность жизни хвои по мутовкам на побегах (рис. 8).

Рис. 8. Части ветви хвойного дерева, служащие биоиндикаторами:

(https://konspekta.net/megaobuchalkaru/imgbaza/baza13/7185432688254.files/ image 001.jpg

А5. Плотность (сближенность) хвоинок на ветке. Поскольку в неблагоприятных условиях замедляется рост побегов и хвои, формируется сближенность хвоинок (их численность на отрезке побега длиной 10 см в загрязненной зоне больше, чем в чистой). Для оценки этого показателя на прошлогоднем побеге отмеряют 10 см и проводят подсчет числа хвоинок.

Если длина побега <10 см, то необходимо произвести соответствующий перерасчет.

Результаты представляются в виде средних значений показателей (табл. 1).

Таблица 1

Форма представления результатов измерений

10