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

«БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ» (БИОТЕСТИРОВАНИЕ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ ПО КРЕСС-САЛАТУ)
Широков В.С.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

«Я утверждаю, что все рождающееся от земли живет за счет земной влаги,

и в каком состоянии находится эта влага, в таком

состоянии находится и растение»

Гиппократ

С давних пор талая вода и ледниковая вода широко использовались в народной практике. Наши бабушки знали, как продлить красоту и молодость с помощью снега и льда в те годы, когда о криотерапии и прочих высокотехнологических изысках еще не слыхали.

Бабушки еще позволяли себе топить снег, делать талую снеговую воду, и умываться (и даже мыть волосы) природным эликсиром небес.Сегодня нет никакой гарантии, что в составе выпавшей с неба воды не окажется вся таблица Д.И.Менделеева.В настоящее время не так-то просто найти снег, который превратится после таяния в чистую, полезную для здоровья воду (как показали исследования экологов, в городском снегу количество вредных соединений превышает нормы ПДК)[4].Снеговой покров накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. В связи с этим снег можно рассматривать как своеобразный индикатор загрязнения окружающей среды. В зависимости от источника загрязнения изменяется состав снегового покрова.[2] Так, вблизи котельных, железнодорожных сетей, обслуживаемых тепловозами на мазутном топливе, большого потока автотранспорта, работающего на дизельном серосодержащем топливе, а также ряда специфичных промпредприятий следует ожидать повышенное содержание соединений серы. Антропогенные источники различных загрязнителей – автотранспорт, теплоэнергетика, промпредприятия. В зимнее время автомобильные выхлопные газы оседают на поверхности снега. Весной часть из них проникает в почву, а часть выносится талыми водами в открытые и подземные водоем[1].

Гипотеза: загрязнение снега автомобильными выхлопными газами замедляет прорастание семян и рост проростков

Объект исследования: талая вода (растопленный снег) г. Рузы. Выпавший на земную поверхность снег формирует снежный покров – уникальный слой, способный качественно и количественно характеризовать содержание загрязнителей в атмосферных осадках, накапливающихся в толще снега в течение зимнего периода.

Предмет исследования: степень загрязнения снежного покрова на разных участках территории города.

Цель исследования: Оценить состояние окружающей среды и уровень антропогенного воздействия с помощью фенотипических биоиндикаторов.

Задачи исследования:

1.Выбрать пробные площадки в городе.

2. Провести отбор проб снега.

2.Выявить четко различающиеся варианты какого-либо признака или свойства биологического вида на пробах талой воды.

3.Определить, с помощью биологических индикаторов (кресс-салат) воздействие человека и его деятельности на окружающую среду.

Исследуя пробы снега, собранного в разных местах города, можно получить достаточно полное представление о степени загрязнения окружающей среды на этих участках. Поэтому при решении поставленной задачи, дать оценку загрязненности среды на разном расстоянии от автомобильной дороги – мы использовали метод биотестирования, т.е. определение качества окружающей среды с помощью живых организмов.Определение состояния городской среды по кресс-салату является частью мониторинга с использованием живых организмов.Уже были проведены мониторинговые исследования по рисунку на листьях клевера и ассиметрии листовых пластинок березы . Загрязнение веществами выхлопных газов отрицательно сказывается на состоянии животных и растений. Сравнительная оценка показателей их роста и развития позволяет определить степень воздействия неблагоприятного фактора [3].

По многочисленным данным Рузский район считается чистым в Московской области (Приложение2,3). Рузский район находится в западной части Московской области. На территории площадью 1559 км² - немало водоемов и лесов, благодаря которым район славится благополучной экологией. Здешние места называют Подмосковной Швейцарией.На западе Московской области, в 100 км от Москвы, расположен небольшой древний город Руза - районный центр нашего Рузского района. Протяженность территории с севера на юг - 66 км, с запада на восток - 50 км. Общая площадь района - 1559 кв.км. Это составляет 3 % от площади Московской области. Для того,чтобы узнать, что знают учащиеся о проблеме загрязнения природной среды автомобильными выхлопными газами, мы провели социологический опрос. В анкетировании приняли участие 60 школьника в возрасте 13-14 лет.

По данным опроса выяснили, что 2/3 опрошенных видят в загрязнении окружающей среды автомобильными выхлопными газами реальную экологическую угрозу: у 86% учащихся в семьях имеется автомобиль. О составе выхлопных газов и их влиянии на живой организм знают только 20% учащихся. Такую ситуацию можно объяснить тем, что учащиеся не имеют достаточной информации по данной теме. С помощью растений-биоиндикаторов возможно обнаруживать места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений, проследить скорость происходящих в окружающей среде изменений, можно судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы, прогнозировать дальнейшее развитие экосистемы и давать комплексную оценку качества среды [3]. Наконец, растения являются ведущим и весьма чувствительными компонентом биогеоценоза, характеризующиеся весьма тесными связями с абиотическими факторами и способными реагировать на сверхмалые дозы токсических веществ [5]. К индикаторам выдвигается ряд требований, которым они должны удовлетворять: высокая численность в изучаемом экотопе; отсутствие повреждений индикатор должен быть типичным для данных условий; находиться в условиях, удобных для отбора проб; биоиндикаторы должны быть одновозрастными и характеризоваться, по возможности, близкими свойствами Кресс-салат — однолетнее овощное растение, обладающее повышенной чувствительностью к загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей.Кроме того, побеги и корни этого растения под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям (задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней, а также числа и массы семян).Кресс-салат как биоиндикатор удобен еще и тем, что действие стрессоров можно изучать одновременно на большом числе растений при небольшой площади рабочего места (чашка Петри, кювета, поддон и т. п.)[6]. Привлекательны также и весьма короткие сроки эксперимента. Семена кресс-салата прорастают уже на третий — четвертый день, и на большинство вопросов эксперимента можно получить ответ в течение 10—15 суток. В качестве показателей учитывали всхожесть семян и скорость роста проростков.

Методы исследования:

1. Теоретический (изучение и анализ литературы, постановка целей и задач).

2. Экспериментальный (постановка опытов, проведение химического анализа и биотестирования проб снега)

3. Эмпирический (наблюдения, описания и объяснения результатов исследований)

1.Методика исследования

Материалы и оборудование: семена кресс-салата, колбы, пластиковые тарелки (чашки Петри), линейка, талая вода.

1. Определить участки для исследования проб снега.

2. Растопить снег. Талую воду использовать для химического анализа проб. Изучить кислотность талой воды. Установить наличие механических и химических загрязнителей в снеге. Сделать выводы по результатам исследований.

4. Талую воду использовать для биотестирования проб на токсичность. На смоченную талой водой фильтровальную бумагу в чашки Петри или блюдца поместить по 10 семян кресс-салата. В качестве контроля использовать дистиллированную воду.

5. В ходе наблюдения за проростками учитывать количество проращенных семян, процент всхожести семян, с помощью миллиметровой линейки измерять общую суммарную длину корней проростков в каждой пробе.

6. В течение 8-10 дней вести наблюдения за проростками, результаты занести в таблицу.

7. Результаты эксперимента отобразить в таблицах и диаграммах. Сделать выводы о степени загрязнения снежного покрова на исследуемых участках, влиянии токсичности снега на развитие проростков растений – индикаторов[6].

2.Экспериментальная часть

Первый эксперимент был поставлен в феврале 2014 года,затем в 2015году и 2016 году. Было взято 4 пробы снега из разных участков районов города:

1. Двор гимназии (проба № 1),

2. Проезжая часть ул.Социалистическая (проба № 2),

3. Внутренний двор микрорайона (проба № 3),

4. Район автовокзала (проба № 4),

5. Контрольная проба – дистиллированная вода (проба № 5).

С каждого участка взяли по 3 л снега.(Приложение1). Принесли снег в помещение, на всех пробах сделали этикетки. После того как содержимое в емкостях растаяло (объем талой воды составил примерно 1,5 л) и приобрело комнатную температуру, стали проводить опыты.Талая вода была исследована так же физическими и химическими методами.Результаты исследования талой воды физико-химическими методами представлены в Приложении 4.

2.1. Биотестирование

Были проведены исследование проб снега с использованием метода биотестирования, т.е. определения качества окружающей среды с помощью живых организмов. В качестве организма-индикатора выбраны семена кресс-салата, т.к. семена этих растений быстро прорастают. В качестве показателей учитывали всхожесть семян и скорость роста проростков. Сравнительная оценка показателей их роста и развития позволяет оценивать степень воздействия токсичности снега.

Цель работы:

Исследование общей химической токсичности снега методом биотестирования по проросткам растений - индикаторам.

Использованная методика: методика, составленная на основе научной работы «Исследование снега методом биотестирования» (Мансурова С.Е., Кокуева Г.Н. Следим за окружающей средой нашего города: 9-11 кл.: Школьный практикум.- М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2001. – 112с.: ил.).

Оборудование и реактивы:

- семена кресс-салат (одинаковые по размеру, одного урожая)

- чашки Петри или блюдца

- пробы снега.

- миллиметровая бумага или линейка

- фильтровальная бумага или марля.

Для исследования использовали растаявший снег и в качестве контрольных образцов использовали дистиллированную воду, не содержащую токсические вещества.

Налили на дно каждой чашки талую воду. Талую воду мы использовали для проращивания семян – по 10 шт. в каждую пробу. В 4 тарелки налили талую воду каждой пробы. Пометили их номерами. В тарелки с водой поместили на влажные салфетки по 10 семян растения. Наблюдали прорастание семян и рост растений в течение 10 дней, добавляя, по мере высыхания, талую воду, полученную из снега с тех же участков (в одинаковых объемах).

Исследована прорастаемость семян в данных образцах воды. Уже на третий день эксперимента семена начали прорастать. 100 % высокая всхожесть семян была отмечена в пробах № 1, 5. Можно сделать вывод об отсутствии загрязнения. О слабом загрязнении снега в районе проезжей части по 90 % и 80 % степени всхожести семян.

В зависимости от результатов опыта субстратам присваивают один из четырех уровней загрязнения (Ашихмина Т.Я., 2000 г.).

1. Загрязнение отсутствует.

Всхожесть семян достигает 90-100%, всходы дружные, проростки крепкие, ровные. Эти признаки характерны для контроля, с которым следует сравнивать опытные образцы.

2. Сильное загрязнение.

Всхожесть семян очень слабая (менее 20%), Проростки мелкие и уродливые

Результаты наблюдений по каждой пробе мы заносили в таблицы 2-4 (приложение2).

3, 4. Слабое загрязнение. Всхожесть 60-90%. Проростки почти нормальной длины, крепкие, ровные.

Выводы

1. Наиболее загрязненной пробой является проба, взятая вблизи оживленной дороги. В этих местах основным источником загрязнения снега является автотранспорт. Темная окраска снега на обочинах дорог и соответственно талой воды обусловлена несколькими причинами. Это вынос частиц (сажи, частиц каучука, кремния и др.), содержащихся в выхлопных газах, также из состава автопокрышек, истираемость, которых в зимнее время резко возрастает. Ещё одним источником темной окраски служит химический и механический вынос битумных, масляных и других минерально-органических соединений с днищ автомобилей, ж/д составов.

2 Для определения pH использовали универсальный индикатор. На участках № 2,3,4 снег загрязнен автотранспорта, попадают основания различных кислот, оксиды азота и серы, поэтому он приобретает кислотную или щелочную реакцию. Снеговой покров имеет нейтральную и слабокислую среду с рН=5-6. Вдоль дороги – слабощелочную реакцию с рН=8.(Приложение 4).

На участке №1 снег чистый, среда нейтральная.

Анализируя данные представленние в Приложении 6, таблица2-4, мы сделали вывод о наибольшей токсичности снега вдоль автодороги. Меньшей степенью химической токсичности отличаются пробы снега № 1, 4 . Таким образом, мы попытались проследить влияние общей токсичности снега, вызванной присутствием загрязнителей на рост и развитие проростков семян. Основываясь на результатах химического анализа и биотестирования, можно утверждать, что в целом снежный покров в г. Рузы достаточно чистый как возле школы, так в микрорайоне. Загрязнения наблюдаются возле автодороги, это связано с работой транспорта. Анализируя данные проведенного эксперимента, мы сделали вывод о наибольшей загрязненности снега выхлопными газами вдоль улицы Социалистическая и в районе автовокзала, которая испытывает большую транспортную нагрузку. Наилучшие показатели прорастания и роста проростков дала проба №5, где использовалась дистиллированная вода.

Заключение

Полученные результаты доказывают, что снег на территории города загрязняется вредными веществами, выбрасываемыми автотранспортом, но степень загрязнения не столь высока, так как всхожесть семян в среднем составила 92,5 %. Используя метод биотестирования (испытания действия вещества или комплекса веществ на живые организмы), мы выяснили, что снег действительно является индикатором чистоты.

Использование снега в качестве источника талой воды не следует, поскольку он содержит много примесей и грязей, которые можно увидеть не вооружённым взглядом, если растопить даже самый чистый, только что выпавший снег.

Таким образом, выдвинутая нами гипотеза подтвердилась в результате проведенной исследовательской работы (Приложение 5). На основе полученных данных можно сделать вывод: загрязнение снега автомобильными выхлопными газами замедляет прорастание семян и рост проростков кресс-салата.Данное растение можно использовать в качестве биоиндикатора состояния окружающей среды.

Литература

1.Артемов А.В. Сравнительный анализ антропогенного загрязнения снежного покрова и гидросферы урбанизированных ландшафтов. //Экология человека – 2003 г. - № 4. – с. 35

2.Мансурова С.Е., Кокуева Г.Н. Следим за окружающей средой нашего города: 9-11 кл.: Школьный практикум. – М.: Гуманит. Изд.центр ВЛАДОС, 2001.- 112 с.:ил.

3.Мелихова, О. П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование / О. П. Мелихова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 288 с.

4.Пахомова Т.Н., Пахомов В.И. Эколого-краеведческая работа с учащимися в природе – Первое сентября – 2004 г. - № 16-18

5.Туровец, В.Д. Биоиндикация: учебное пособие / В. Д. туровец, в. с. краснов – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2004. – 260 с.

6.Федина М.А. Биотестирование снега. Газета «Первое сентября», «Биология» №24 2007 г. стр. 14-15

7.Школьный экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие / Под ред. Т.Я. Ашихминой. – М.: АГАР, 2000.

Приложение 1

Карта –схема улиц г.Руза

Приложение 2

Экологическая карта Московской области

Приложение 3

Экологическое благополучие по природным средам Московской области

Приложение 4

Химические методы исследования

Определение pH

рис.1

Таблица1

Физические методы исследования

Место взятия № пробы

Прозрачность

Цвет

Наличие взвешенных частиц

рН

Наличие осадка

Проба №1: двор гимназии

Не мутная

Прозрачная

Есть

7

да

Проба №2

обочина дороги, ул.Социалистическая

Мутная

Серовато-черная

Есть, много

8

Да, очень много

Проба №3:

Остановка автовокзал

Не мутная

Прозрачная

Есть

6

да

Проба №4:

внутренний двор микрорайона

Не мутная

Прозрачная

Есть

6

да

Контроль

(проба № 5)

Идеально прозрачная

Бесцветная

Нет

7

нет

Приложение 5

Фотоотчет по экспериментальной работе

фото1. фото 2.

Талая вода для проращивания семян Начало эксперимента

фото3. фото 4.

Проращивание семян кресс-салата 3-4 день эксперимента

фото 5.

Растение кресс-салата 10 день эксперимента

Приложение 6

Результаты экспериментальной работы

Таблица 2.

Скорость прорастания семян

Дни

Число проросших семян (всего) по площадкам

№ 1

Двор гимназии

№2

Проезжая часть ул.Социалистическая

№3

Внутренний двор микрорайона

№4

Район автовокзала

№5.

Дистилированная

вода

1

1

1

-

-

1

2

7

4

5

3

8

3

10

9

10

8

10

Таблица 3.

Появление двух первых зеленых листочков

Дни

Число проростков с двумя первыми зелеными листочками (всего) по площадкам

№ 1

Двор гимназии

№2

Проезжая часть ул.Социалистическая

№3

Внутренний двор микрорайона

№4

Район автовокзала

№5.

Дистилированная

вода

4

5

2

5

2

7

5

8

6

7

5

9

6

10

9

10

9

10

Таблица 4.

Высота надземного побега

Дни

Высота надземного побега (минимум – максимум см) по площадкам

№ 1

Двор гимназии

№2

Проезжая часть ул.Социалистическая

№3

Внутренний двор микрорайона

№4

Район автовокзала

№5.

Дистилированная

вода

7

0,8-3,0 см

0,6-2,8 см

0,7-2,7 см

0,4-1,7 см

1,0-3,5 см

8

1,5-3,9 см

1,-3,2 см

1,4-3,5 см

0,9-2,1 см

1,7-4,2 см

Приложение 7

ТЕЗАУРУС

1.ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - внешняя среда, в которой функционирует организация, включая воздух, воду, землю, природные ресурсы, флору, фауну, человека и их взаимодействие.

2.ГОРОДСКАЯ ЭКОСИСТЕМА - территория города и его население (человек и другие живые организмы).

3.МОНИТОРИНГ - система сбора/регистрации, хранения и анализа небольшого количества ключевых (явных или косвенных) признаков/параметров описания данного объекта для вынесения суждения о поведении/состоянии данного объекта в целом.

4.ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ (мониторинг окружающей среды) – система наблюдения, оценки и прогнозирования состояния окружающей человека природной среды.

5.БИОМОНИТОРИНГ - составная часть экологического мониторинга, слежения за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям.

6.БИОЛОГИЧЕКИЙ МОНИТОРИНГ - система наблю­дений, оценки и прогноза любых изменений в экосистеме, вызванных антропогенными факторами.

7.БИОИНДИКЦИЯ - оценка качества природной среды по состоянию её организмов.

8.БИОТЕСТИРОВАНИЕ - прием исследования, в котором о качестве среды, факторах, действующих самостоятельно или в сочетаниях, судят по выживаемости и поведению специально помещенных в эту среду организмов — тест-объектов.

10.ТЕСТ-ОБЪЕКТЫ - организмы, используемые при оценке токсичности химических веществ, природных и сточных вод, почв, донных отложений, кормов и др.

11.БИИНДИКАТОРЫ - группа особей одного вида или сообщество, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей.

12.ФИТОИНДИКАЦИЯ - это обнаружение и определение экологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакции на них растений.