IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ОЦЕНКА БИОБЕЗОПАСНОСТИ ВОДЫ МЕТОДОМ БИОИНДИКАЦИИ
Головатюк А.А., Устивицкая Н.А.
Автор работы награжден дипломом участника конкурса
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Целью исследования является оценка биобезопасности различной воды, которая употребляется человеком (дистиллированная вода, кипячёная артезианская вода, артезианская вода, газированная минеральная вода,

газированная сладкая вода ) методом биоиндикации.

Вода в живых организмах выполняет множество биологических функций: растворитель, транспорт веществ, химический реагент, теплоноситель, объем и упругость клетки. Содержание воды в клетках человека составляет от 60 до 99 %. Ежедневная норма потребления воды составляет 2-3 литра. Немаловажно учитывать не только объем потребляемой воды, но и её качество, биобезопасность.

Авторами работы изучена научная литература о биоиндикации как методе исследования окружающей среды , биологических особенностях кресс-салата как растения-биоиндикатора, проведена серия экспериментов по определению всхожести семян кресс-салата, произведены наблюдения за развитием проростков в условиях использования воды различного состава. Эксперименты показали, что всхожесть семян и процесс развития проростков с использованием дистиллированной, кипяченой артезианской, артезианской воды существенно не отличается друг от друга и соответствует норме. При использовании газированной минеральной воды всхожесть составила 4 %, средняя длина проростков составила 1,3 мм. Данные позволяют сделать вывод о неблагоприятном для проращивания семян составе минеральной газированной воды. При использовании газированной сладкой воды всхожесть семян составила 0%, что говорит о том, что данный напиток содержит соединения, которые препятствуют развитию зародышей семени.

Можно констатировать, что состав воды существенно влияет на всхожесть семян и процесс развития проростка. Метод биоиндикации не позволяет выявить опасные компоненты, но с его помощью можно оценить биобезопасность воды. Вероятно, что употребление газированной минеральной и сладкой воды может негативно влиять на организм человека тоже. Поэтому употреблять газированные напитки для утоления жажды нежелательно.

Содержание.

Введение…………………………………………………………………..4

1.Биоиндикация …………………………………………………………..5

1.1.Биоиндикация как метод оценки состояния окружающей среды…6

1.2.Биологические особенности кресс-салата………………………….17

2.Метод исследования……………………………………………………18

2.1.Определение всхожести семян кресс-салата

при использовании различной воды……………………………………18

2.2.Определение интенсивности роста проростков кресс-салата…….19

3.Результаты и их обсуждение………………………………………….20

4.Вывод……………………………………………………………………21

5.Литература………………………………………………………………22

Введение.

Вода – одна из самых удивительных веществ. Ее значение огромно как для планеты Земля в целом, так и для всех живых организмов. Вода выполняет множество биологических функций:

- растворитель большинства веществ клетки;

- обеспечение транспорта веществ;

- участие в реакциях гидролиза;

- участие в распределении тепла в клетке;

- создание объема клетки, ее упругость;

- среда жизни множества организмов.

В жизни человека вода имеет такое же большое значение: в быту, сельском хозяйстве, промышленности. По мнению ученых, человек должен потреблять за сутки 2-3 литра воды. Немаловажно при этом учитывать не только объем потребляемой воды , но и ее качество.

Целью исследования является определение биобезопасности различной воды, которая может употребляться человеком:

- дистиллированная вода;

- кипяченая вода из артезианской скважины;

- вода из артезианской скважины;

- газированная минеральная вода «Крымская минеральная вода»;

- газированная сладкая вода «Лимонад»;

Задачами исследования является изучение биоиндикации как метода исследования окружающей среды; изучение биологических особенностей растения биоиндикатора - кресс-салата; проведение серии экспериментов по определению всхожести семян и интенсивности роста развития проростков кресс-салата с использованием различных видов воды.

Объект исследования: экологическая среда

Предметы исследования: семена кресс-салата, вода, газированные напитки.

1. Биоиндикация.

1.1. Биоиндикация как метод исследования окружающей среды.

Биоиндикация - это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин "биоиндикация" чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием "экотоксикология".

Часто задают вопрос: "Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?" По мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания. Биоиндикация может быть специфической и неспецифической. В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды . Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака серебристых некрозных пятен. Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период засухи и по другим причинам.

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно.

При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других (абиотических или биотических) факторов среды. Эти изменения растительного покрова ведут к падению численности саранчовых и росту численности тлей. Изменение в соотношении двух групп насекомых - пример косвенной биоиндикации применения гербицида.

Биоиндикаторы - это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды. Когда хотят подчеркнуть то, что биоиндикаторы могут принадлежать к разным уровням организации живого, употребляют термин "биоиндикаторные системы".

Критерии выбора биоиндикатора :

 быстрый ответ;

 надежность (ошибка 7,8): бузина, вяз, бересклет, крушина, крапива двудомная, хмель, недотрога, гравилаты.

2) Биоиндикация в водной среде

Основные задачи, которые решаются при оценке качества воды, могут быть объединены в три группы:

 угроза инфекционных заболеваний;

 токсичность;

 эвтрофикация.

Угроза инфекционных заболеваний

Решение первой задачи достигается при мониторинге загрязнения водоемов сточными водами. Именно канализационные стоки могут содержать патогенные микроорганизмы - основной источник инфекций, передаваемых через воду. Поскольку патогенных микроорганизмов много, каждый выявлять трудоемко и нецелесообразно, разработан тест на кишечную палочку (Escherichia coli). Эта бактерия обитает в огромных количествах в толстой кишке человека и отсутствует во внешней среде. E.coli не патогенна и даже необходима человеку, но ее присутствие во внешней среде - индикатор неочищенных канализационных стоков, в которых могут быть и патогенные микробы.

Для анализа берут пробы воды объемом 100 мл и подсчитывают содержание в них E.coli.

Оценка токсичности

Подавляющее большинство тестов токсичности воды в биоиндикации использует какой-либо один вид организмов: рачки дафния (Daрhnia magna) и артемия (Artemia salina), инфузория-туфелька, красные (Chamрia рarvula) и бурые водоросли (Laminaria saccharina), валлиснерия (Vallisneria americana), ряска.

У тест-организмов оценивают выживание, дыхательную активность и другие показатели. Например, с помощью ряски можно обнаружить присутствие ионов тяжелых металлов двумя способами:

 по нарушению движения хлоропластов, которые не концентрируются в клетке со стороны источника света, а перемещаются хаотически;

 по отмиранию клеток листа, что можно обнаружить, используя специальный краситель, легко проникающий в мертвые клетки, но неспособный окрасить живые. Количество мертвых клеток пропорционально концентрации ионов тяжелых металлов в воде.

Эвтрофикация

По содержанию в воде биогенов различают следующие трофические типы водоемов: олиготрофный (бедный биогенами), эвтрофный (богатый биогенами) и промежуточный мезотрофный. В олиготрофных водоемах недостаток биогенов не допускает развития фитопланктона (одноклеточных водорослей в толще воды), но хорошо развивается бентосная растительность. Такие экосистемы включают много видов, они разнообразны и устойчивы.

3) Биоиндикация в почве

Биоиндикация применяется в случаях:

 установления таксона почвы и ее происхождения;

 выяснения отдельных свойств почвы и почвенных процессов;

 оценки антропогенного вмешательства (рекреация, загрязнение, эвтрофикация почв).

  1.  
    1. Биологические особенности кресс-салата.

Кресс-салат — скороспелое холодостойкое однолетнее растение семейства Капустные. Растение сравнительно нетребовательно к почвенному плодородию, для него пригодны любые участки. Необходим постоянный полив — при пересушивании появляются цветочные стебли, листья грубеют и мельчают. Повреждается кресс-салат теми же вредителями, что редис и капуста.

Урожайность составляет 60—70 т/га. Известны сорта: Курчавый кресс, Обыкновенный кресс, Садовый кресс, Узколистный, Широколистный.

Культура пришла к нам из глубины веков: его сеяли еще в Древнем Египте и Древнем Риме. В настоящее время распространен во многих странах. У нас кресс-салат выращивают больше на юге.

В листьях кресс-салата содержится до 119 мг% аскорбиновой кислоты, до 4,9 мг% каротина, есть рутин, витамины группы В , йод, железо и другие минеральные элементы. Кресс-салат богат солями калия, кальция и фосфора, а также белком. Имеющийся в листьях глюкозид горчичного масла придает растению остропряный вкус.

В пищу употребляют листья розетки и нижние листья вместе с молодым стеблем. Их добавляют в салаты, винегреты, используют как приправы и гарниры к разным блюдам. В диетическом питании кресс-салат применяют для профилактики цинги и при авитаминозах. Он благотворно действует на пищеварение, улучшает сон, снижает артериальное давление.

Прикорневые листья у кресс-салата черешковые, перисто-рассеченные или цельные, овальные, по краю зубчатые. Стебель разветвленный, достигает высоты 1 м. Это холодостойкое скороспелое растение. Молодые листья можно использовать в пищу уже через 18—25 дней после посева. Кресс-салат требует довольно много света и нуждается в хорошем увлажнении.

2. Методы исследования.

2.1.Определение всхожести семян кресс-салата при использовании различной воды.

Оборудование: чашки Петри, марлевые тампоны.

Материалы: семена кресс-салата, дистиллированная вода(состав Н О), вода кипяченая из артезианской скважины( состав не изучен), вода из артезианской скважины ( состав не изучен), вода газированная минеральная «Крымская минеральная» (состав: катионы калия, натрия, кальция, магния; анионы гидрокарбонат, хлорид, сульфат), вода газированная сладкая «Лимонад» (состав: сахар, кислота лимонная, бензоат натрия, краситель сахарный колер ).

Условия проведения эксперимента: помещение школы, температура + 19 - +22 С, освещение естественное.

Ход работы: в 5 чашек Петри помещают марлевый тампон (4 слоя, размер 5х5 см), на него помещают по 25 семян кресс-салата. Осторожно приливают воду до полного промокания тампона соответственно:

Чашка Петри №1 – дистиллированная вода;

Чашка Петри №2 – артезианская вода;

Чашка Петри №3 – кипяченая артезианская вода;

Чашка Петри №4 – минеральная газированная вода;

Чашка Петри №5 – сладкая газированная вода;

По мере высыхания тампонов производится доливка воды.

Наблюдения показали, что на 8 день начали появляться проростки. Данный эксперимент был проведен еще 2 раза. Произведен подсчет числа проросших семян , данные занесены в таблицу 1.

2.2.Определение интенсивности роста проростков кресс-салата.

Оборудование: линейка, лупа.

Материалы: проростки кресс-салата.

Ход работы: через 15 дней после начала эксперимента по проращиванию семян произвели подсчет всхожести и замеры длины проростков. Результаты наблюдений находятся в таблице 1.

Табл. 1.

№ чашки Петри

Исходное кол-во семян

Кол-во проросш.семян

Процент всхожести семян

Средняя длина проростков

1 а

25

22

88

11мм

1 б

25

24

96

12мм

1 в

25

25

100

11мм

среднее

25

23,6

94,7

11,3 мм

2 а

25

24

96

12мм

2 б

25

23

92

11мм

2 в

25

22

88

9мм

среднее

25

23

92

10,7мм

3 а

25

22

88

11мм

3 б

25

24

96

10мм

3 в

25

23

92

9мм

среднее

25

23

92

10мм

4 а

25

1

4

2мм

4 б

25

2

8

2мм

4 в

25

0

0

0мм

среднее

25

1

4

1,3мм

5 а

25

0

0

0мм

5 б

25

0

0

0мм

5 в

25

0

0

0мм

среднее

25

0

0

0мм

3.Результаты и их обсуждение.

В ходе эксперимента по определению всхожести семян при использовании различной воды было выявлено, что процесс прорастания с использованием дистиллированной, кипяченой артезианской и артезианской воды существенно не отличался, всхожесть соответствовала норме, проростки развивались нормально. При использовании газированной минеральной воды всхожесть составила 4 %, средняя длина проростков составила 1,3 мм. Данные позволяют сделать вывод о неблагоприятном для проращивания семян составе минеральной газированной воды. При использовании газированной сладкой воды всхожесть семян составила 0%, что говорит о том, что данный напиток содержит соединения, которые препятствуют развитию зародышей семени.

Можно констатировать, что состав воды существенно влияет на всхожесть семян и процесс развития проростка. Метод биоиндикации не позволяет выявить опасные компоненты, но с его помощью можно оценить биобезопасность воды. Вероятно, что употребление газированной минеральной и сладкой воды может негативно влиять на организм человека тоже. Поэтому употреблять газированные напитки для утоления жажды нежелательно.

4.Вывод.

Авторами работы была изучена научная литература о биоиндикации как методе исследования окружающей среды, биологических особенностях тест-организма кресс-салата , проведена серия экспериментов по изучению влияния состава воды на всхожесть и процесс прорастания семян кресс-салата. Результаты показали, что состав воды существенно влияет на процесс прорастания семян. Использованный метод биоиндикации позволяет сделать оценку биобезопасности воды, но не позволяет выявить опасные для живых организмов компоненты воды. В дальнейшем можно провести подобные эксперименты, расширив разнообразие напитков, изменив условия эксперимента ( различные конценрации ), применив другой тест-организм. Можно предположить, что газированные напитки также негативно будут влиять на жизнедеятельность клеток человеческого организма.

Список литературы:

1. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем /Под ред. Р. Шуберт. - М.: Мир, 1988.

2. Богач Я., Седлачек Ф., Швецова З., Криволуцкий Д. Животные - биоиндикаторы индустриальных загрязнений // Журн. Общей биологии, 1988, № 5.

3. Гиляpов М.С. Зоологический метод диагностики почв. - М.: Наука, 1966.

4. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

5. Клаусницер Б. Экология городской фауны. - М.: Мир, 1990.

6. Кабиров Р.Р., Сагитова А.Р., Суханова Н.В. Разработка и использование многокомпонентной тест-системы для оценки токсичности почвенного покрова городской территории // Экология, 1997, № 6.

6. Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983.