XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Биоиндикация водоемов Арзамасского района
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Злободневной проблемой современности стало ухудшение качества природных вод и состояния водных систем в результате возросшей антропогенной деятельности. Природные воды являются в конечном итоге коллекторами всех видов загрязнений. Актуальным является мониторинг водоемов. Интегральную оценку состояния окружающей среды можно получить методом биологической индикации, т.е. определить состояние среды по реакциям живых организмов-биоиндикаторов (Р. Шуберт, 1988). Для этого можно использовать многие растения. В первую очередь на стрессовые воздействия реагирует репродуктивная сфера растений.
Цель работы: произвести оценку экологического состояния водоемов с помощью растений – палиноиндикаторов.
Задачи:
выявить растения – палиноиндикаторы;
изучить реакцию пыльцы растений на воздействие окружающей среды;
провести качественный анализ воды;
провести статистическую обработку полученных данных;
оценить экологическое состояние водоемов по доли стерильности пыльцы растений- индикаторов.
Объекты исследования: пыльца растений – палиноиндикаторов: стрелолист обыкновенный, роголистник погруженный, кубышка желтая.
Объекты биоиндикации: водоемыАрзамасского района.
Предмет исследования: экологическоесостояние исследуемых водоемов.
Методы исследования:
анализ литературы по данной проблеме;
эксперимент;
статистическая обработка данных.
Глава I. Биомониторинг загрязнения окружающей среды
1.1. Загрязнения окружающей среды
На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы – той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.
Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них – газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете.
Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.
1.2. Биоиндикация как метод мониторинга
Безусловно, объективные факты свидетельствуют о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (макро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Однако можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о типе физической среды. Поэтому “Биоиндикация – это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений”[Криволуцкий с соавт., 1988].
Основой задачей биоиндикации является разработка 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. Биоиндикация, как и мониторинг, осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза (Розенберг Г. С., 1994).
Считается, что использование метода биоиндикации позволяет решать задачи экологического мониторинга в тех случаях, когда совокупность факторов антропогенного давления на биоценозы трудно или неудобно измерять непосредственно. К сожалению, современная практика биоиндикации носит в значительной мере феноменологический характер, выраженный в пространном изложении подмеченных исследователем фактов поведения различных видов организмов в конкретных условиях среды.
Необходимым условием для выявления качественных нарушений биотических процессов, происходящих в экосистемах под влиянием антропогенных факторов, является знание диапазона естественной изменчивости биоценозов, т.е. построение пространства состояния популяций [Шмальгаузен, 1968; Тимофеев-Ресовский и др., 1973]. В связи с этим возникает необходимость определения тех параметров, которые позволят с заданной подробностью и точностью оценить состояние биоценоза, вычленить изменения, вызванные действием антропогенных факторов, и получить необходимую и достаточную информацию для прогноза возможных изменений состояния экосистемы.
Таким образом, биоиндикацию можно определить как совокупность методов и критериев, предназначенных для поиска информативных компонентов экосистем, которые могли бы:
адекватно отражать уровень воздействия среды, включая комплексный характер загрязнения с учетом явлений синергизма действующих факторов;
диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ и оценивать их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем.
1.3.Палиноиндикация
Воспроизведение себе подобных – общее свойство любого организма. В индивидуальном развитии высших цветковых растений репродуктивный период связан с глубокими изменениями обмена веществ, физиологии, анатомии и морфологии отдельных органов и организма в целом. Ч. Дарвин (1876 г.) в работе «Действие перекрёстного опыления и самоопыления» указывал на большую чувствительность генеративных элементов цветков к внешним условиям. Он отмечал, что вряд ли существует в природе что либо более удивительное, чем чувствительность половых элементов к внешним влияниям и утончённость их взаимного сходства. Некоторые небольшие изменения внешних условий или опыление собственной пыльцой могут привести к их полной стерильности и сделать растения фертильными при опылении пыльцой любой особи того же вида.
В качестве тест-системы для биоиндикации широко используется пыльца растений. Анализ фертильности пыльцы является экспресс – методом определения способа размножения того или иного вида (Хохлов, 1987).
У растений наиболее чувствительным к факторам среды является половой процесс – макро- и микроспорогенез. Так, В.А. Поддубная-Арнольди (1976) отмечает, что нормальное развитие и строение пыльцы, а также зародышевого мешка, могут нарушаться под влиянием неблагоприятных внешних условий (плохой погоды с чрезмерными понижениями или повышениями температуры и влажности), под влиянием искусственного воздействия различными реагентами (высокой и низкой температурой, Х-лучами, наркотиками, различными химикалиями, при недостатке питания, травматических повреждений и т.д.). При этом происходит стерилизация пыльцы и зародышевых мешков.
В целом, микроспорогенез в большой степени подвержен влиянию факторов среды обитания, чем макроспорогенез. Обнаружено, что у горчицы белой при засухе повреждения гинецея происходят в меньшей степени, чем андроцея. Жизнеспособность пыльцы падает до 3-12 % (Петровская ,1956). Нарушения в критический период, главным образом микроспорогенеза у хлебных злаков под влиянием засухи, выявлено в исследованиях Ф.Д. Сказкина (1971).
Известно, что наиболее чувствительными процессами, на которые влияют неблагоприятные и стрессовые условия (в том числе и загрязнение среды), являются репродуктивная деятельность и продолжительность жизни растений. При воздействии неблагоприятных факторов могут наблюдаться сдвиги как в мужской (пыльца), так и в женской (семяпочки) сферах. В первом случае это выражается в увеличении стерильности пыльцевых зерен, что влечет их пониженное прорастание и уменьшение роста пыльцевой трубки, в результате чего она не достигает семяпочки и не происходит оплодотворение. Во втором случае гибнет сама семяпочка на первых этапах деления после оплодотворения. Известно, что делящиеся клетки обладают высокой чувствительностью к неблагоприятным воздействиям. При очень сильных антропогенных воздействиях (загрязнение воздуха) в семяпочке повышается число мутаций и хромосомных аберраций.
Работы, проведенные разными авторами с различными растениями (табак, мышиный горошек, мать-и-мачеха, подорожник, кукуруза, сосны обыкновенная и смолистая, пихты белая и сибирская и др.) показали, что в зоне влияния заводов, автомобильных дорог увеличивается число стерильных растений.
Глава II. Материалы и методы исследования
2.1. Объекты и районы исследования
Стрелолист обыкновенный Sagittaria sagittifolia L – Частуховые
(Alismataceae)
Рис. 1. Цветки стрелолиста обыкновенного Рис. 2. Стрелолист обыкновенный
Водное травянистое растение из семейства частуховых, высотой до 1 м, с коротким корневищем, несущим на себе клубни в виде орехов. Стебель прямостоячий, трехгранный, безлистный, нижней частью погружен в воду. Листья, находящиеся над водой, стреловидные, заостренные, длинночерешковые, плавающие — с более широкой, яйцевидной пластинкой, погруженные в воду — широколинейные, притуплённые. Цветки белые, с фиолетово-пурпурным пятном при основании лепестков, собраны в простое кистевидное соцветие, располагающееся на верхушке стебля. Плоды — крылатые цельнокрайние семянки. Цветет в июне — июле.
Р оголистник погруженный (Ceratophýllum demersum) – семейство Роголистниковые (Ceratophyllaceae). Многолетнее длинностебельное водное растение с тонкими ветвями и игольчатыми листьями. Стебель хорошо выражен, поднимается из воды. Листья сидячие, многократно дихотомически рассечённые два, три и более раз, расположены мутовчато, покрыты волосками.
Рис. 3. Цветки роголистника погруженного
Роголистник не имеет корня, и для удержания в донных отложениях использует проникающие в ил ризоидные ветви стебля — белые, с тонко рассечёнными листьями. Цветки мелкие, сидячие, однополые, без лепестков; собраны в редуцированные соцветия. Плод — орешек. На плодах имеются шиповидные выросты.
Кубы́шка жёлтая (Núphar lútea) — растение семейства Кувшинковые (Nymphaeaceae).
Рис. 4. Кубышка желтая Рис. 5. Цветок кубышки желтой
Это многолетнее водное растение с длинным толстым мясистым горизонтальным корневищем, уплощённым сверху вниз, зеленоватым сверху и белесым снизу, покрытым многочисленными рубцами от опавших черешков и цветоножек. От корневища отходят многочисленные корни. Плавающие на поверхности воды листья плотные, тёмно-зелёные, длинночерешковые, цельнокрайние, округло-овальные с сердцевидным основанием. Листья, находящиеся в толще воды, — полупрозрачные.
Цветки крупные жёлтые, сидят на выдающихся из воды цветоносах. Плод — сочный, ягодообразный.
Материал был собран в нескольких районах, с различной антропогенной нагрузкой. В качестве контроля выбрано оз. Великое, т. к. находится в Пустынском заказнике, вблизи нет крупных промышленных предприятий и автомобильных трасс. Опытные водоемы: № 1 – участок реки Тёша в районе железнодорожного моста, вдоль берега проходит автодорога. Водоём № 2 – пруд Барский – испытывает высокую рекреационную нагрузку. Рядом расположена Абрамовская больница. Водоем № 3 – река Иржа в районе села Большое Туманово, используется для полива.
2.2. Методика исследования пыльцы
При анализе качества пыльцы различают жизнеспособность и оплодотворяющую способность пыльцевых зерен. Жизнеспособность – это способность вызывать полное оплодотворение мужского гаметофита к росту на соответствующих тканях его пестика, а оплодотворяющая способность или фертильность – это способность вызывать его полное оплодотворение.
Фертильность пыльцы растений определяли ацетокарминовым методом (Паушева, 1974). Для этого готовили свежий раствор ацетокармина (прил. 1). На предметное стекло помещали пыльцу в каплю ацетокармина и накрывали предметным стеклом. Жизнеспособная пыльца реагирует с ацетокармином и окрашивается в розовый цвет, а нежизнеспособные пыльцевые зерна окрашиваются незначительно, в большинстве случаев остаются бесцветными.
Подсчет окрашенных и неокрашенных пыльцевых зерен проводили через несколько часов на световом микроскопе при увеличении в 80 и 120 раз в 3-х кратной повторности.
Глава III. Оценка степени загрязненности воды различных водоемов
В результате исследований установлено, что загрязнение окружающей среды в большинстве случаев негативно влияет на фертильность пыльцы ряда растений.
Фертильность пыльцы растений, % в районах исследования Таблица 1.
|
Водоёмы |
Фертильность пыльцы,% |
||
|
Стрелолист обыкновенный |
Роголистник погруженный |
Кубышка желтая |
|
|
Контроль (оз.Великое) |
87.8 |
90.2 |
91.7 |
|
1.р. Теша (ЖД мост) |
59.2 |
65,0 |
60,1 |
|
2.пруд Барский |
62.0 |
72.1 |
71.3 |
|
3.р. Иржа |
61.4 |
65.4 |
68.1 |
Самой неблагоприятной средой для стрелолиста оказалась вода р. Тёши в район железнодорожного моста (№1). Здесь отмечены наиболее низкие показатели фертильности пыльцы (59,2%). Разница с контролем превышает 28%, что говорит о большой антропогенной нагрузке на данных водоемах. Фертильность пыльцы стрелолиста, собранной на Барском пруде (№ 2) и р. Иржа (№ 3) составляет 62.0% и 61.4%, разница с контролем 25,8 и 26,4% соответственно, что говорит о серьезной антропогенной нагрузке.
Исследование пыльцы роголистника погруженного показало, что её фертильность даже из самом неблагополучного водного объекта № 1 относительно высока и составляет 65%, это на 25,2% ниже фертильности контрольных образцов.
Достаточно сильному антропогенному воздействию подвержены водоёмы №1 и №3 (р. Теша в районе ЖД моста и р.Иржа). Фертильность пыльцы роголистника здесь составляет 65% и 65,4% соответственно, что отличается от контроля на 25,2% и 24,8%.
Установлена прямая зависимость между фертильностью пыльцы кубышки желтой и степени антропогенного загрязнения исследуемых водоемов.
Исходя из показаний фертильности пыльцы кубышки водоисточники № 1(60,1%) и №3 (68,1%) являются самыми антропогенно нагруженными.
Заключения
1. Антропогенное загрязнение окружающей среды негативно влияет на репродуктивную сферу растений, снижая фертильность пыльцы в среднем на 28%.
2. Выявлено, что наиболее чувствительная к антропогенной нагрузке пыльца стрелолиста обыкновенного.
3. По результатам анализа пыльцы всех растений наибольшее загрязнение зарегистрировано на участке № 1 – р. Теша, а самым экологически чистым является район № 2 – пруд Барский.
Список литературы
Абакумов В.А., Сущеня Л.М. Гидробиологический мониторинг пресных вод и пути его совершенствования // Экологические модификации и критерии экологического нормирования: Тр. Междунар. симпоз. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 41-51
Абакумов В.А. Продукционные аспекты биомониторинга пресноводных экосистем // Продукционно-гидробиологические исследования водных экосистем. – Л.: Наука, 1987. С. 51-61.
Абакумов В.А., Максимов В.Н., Ганьшина Л.А. Экологические модуляции как показатель изменения качества воды // Научные основы контроля качества вод по гидробиологическим показателям: Тр. Всес. конф. – Л., 1981. С. 117-136.
Артамонов В.М. Зелёные оракулы. - М.: Мысль. 1989. - 185 с.
Ашихмина Т.Я. Экологический мониторинг: Учебн. - методическое пособие / Т.Я. Ашихмина, Н.Б. Зубкина; под ред. Т.Я. Ашихминой - М.: Академический проект, 2005. - 205 с.
Бадтиев Ю.С., Кулемин А.А. Методика биоиндикации окружающей природной среды // Экологический вестник России. - 2001. - № 4. - С. 27-29.
Бондарь Л.М. Цитогенетический анализ действия антропогенных факторов на природные популяции растений/ Л.М. Бондарь, Л. В. Частоколенко // Генетические последствия загрязнения окружающей среды мутагенными факторами.- М.: Просвещение, 1990.- С. 52-53.
Бубряк И.И. Радиобиология пыльцевого зерна /И. И. Бубряк// 1 Всес. радиобиол. съезд, Москва, 21 - 27 авг., 1989: Тез. Докл. – Пущино, 1989 . - 288 с.
Гришина Л.А., Копцик Г. Н., Моргун Л.В. Организация и проведение почвенных исследований для экологического мониторинга. – М.: Изд-во МГУ, 1991. – 82 с.
Дарвин Ч. Действие перекрёстного опыления и самоопыления/ Ч. Дарвин,1876.
Дзюбан Н.А., Кузнецова С.П. О гидробиологическом контроле качества вод по зоопланктону // Научные основы контроля качества вод по гидробиологическим показателям: Тр. Всес. конф. – Л.: Наука, 1981. С. 117-136.
Дуплаков С.М. Материалы к изучению перифитона // Труды Лимнологической станции в Косине. 1933. Т. 16. С. 9-136.
Зернов С.А. Общая гидробиология. Изд. 2. – М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1949. – 587 с.
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. - С. 408-411
Кожова О. М. Методология оценки состояния экосистем: учебное пособие / Под ред. О.М. Кожовой и В.В. Воробьева. – Ростов-на-Дону: Изд-во ООО “ЦВВР”, 2000. – 128 с.
Константинов А.С. Общая гидробиология. – М.: Высш. шк., 1979. – 480 с
Криволуцкий Д.А., Степанов А.М., Тихомиров Ф.А., Федоров Е.А. Экологическое нормирование на примере радиоактивного и химического загрязнения экосистем // Методы биоиндикации окружающей среды в районах АЭС. – М.: Наука, 1988. С. 4-16.
Лобанов А.В., Шувалова Ю.В., Зырина А.Е., Китова А.Е., Макаренко А.А., Кувичкина Т.Н., Фесай А.П., Решетилов А.Н. Биосенсоры для экологического контроля // Экологические системы и приборы. - 2001. - № 6. - С. 72-76.
Мордухай-Болтовской Ф.Д. Особенности программы и методики биогеоценотических исследований внутренних водоемов // Программа и методика биогеоценотических исследований. – М.: Наука, 1974. – 76 с.
Мотузова Г.В. Принципы и методы почвенно-химического мониторинга. – М.: Изд-во МГУ, 1988. – 101 с.
Паушева З.П. Практикум по цитологии растений/ З.П. Паушев - М.: Агропромиздат, 1988.- с. 148.
Петровская А.В. Ход развития цветочных точек роста белой горчицы в связи с различными условиями влажности почвы/А.В. Петровская // Уч. зап. Лен. гос. пед. ин-та им. А.П. Герцена. – 1956. – Т.108 – С.57-61
Поддубная-Арнольди В.А. Общая эмбриология покрытосеменных расте-ний/В.А. Поддубная-Арнольди – М.: Наука, 1964. – 482 с.
Поддубная-Арнольди В.А. Цитоэмбриология покрытосеменных расте-ний/ В.А. Поддубная-Арнольди – М.: Наука, 1976. – 507 с.
Розанов Б.Г. Живой покров Земли.- М.: Наука, 1991. - 98 с.
Розенберг Г.С, Биоиндикация: теория, методы, приложения / Под ред. Г.С. Розенберга. – Тольятти: Изд-во Интер-Волга, 1994. – 266 с.
Росновский И.Н., Кулижский С.П. Определение вероятности безотказного функционирования (устойчивости) почв в экосистемах // Сохраним планету Земля: Сборник докладов Международного экологического форума, 1-5 марта 2004 года; СПб: Центральный музей почвоведения им В.В. Докучаева, 2004. – С. 249-252.
Садовникова Л.К. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении. – М.: Высш. Шк., 2006. – 333 с.
Сазонова В.Е., Зализняк Л.А., Савельева Е.В., Морозова Л.М., Костюк О.Б. Использование биотестов при разработке мониторинга водой экосистемы // Экология. - 1997. - № 3. - С. 207-212.
Северцов С.А. Динамика населения и приспособительная эволюция животных. – М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1941. – 316 с.
Сорокин В.К. Способ стерилизации генеративных органов растений./В. К. Сорокин, Н.И. Скляр, М.И. Шуров. – М., 1980 - ВНИИ риса. А.с. 957801.
Сукачев В.Н. Основные понятия о биогеоценозах и общее направление их изучения // Программа и методика биогеоценотических исследований. – М.: Наука, 1966. С. 12-50.
Тимофеев-Ресовский Н.В., Яблоков А.В., Глотов Н.В. Очерк учения о популяции. – М.: Наука, 1973. – 277 с.
Третьякова И.Н. Пыльца сосны обыкновенной в условиях экологического стресса/И.Н. Третьяков, Н.Е. Носков. Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2003.
Усов Г.П. Биотестирование как основа качественной оценки ОПС на территориях военных объектов // Экологический вестник России. - 2001. - № 1. - С. 32-37.
Третьякова И.Н. Пыльца сосны обыкновенной в условиях экологического стресса/И.Н. Третьяков, Н.Е. Носков. Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2003.
Цингер О.Я. Из жизни леса/О.Я. Цингер. - Саранск: Мордовское книжное изд, 1968 . -87 с.
Шмальгаузен И.И. Рост и дифференцировка // Рост животных. – М.: АН СССР, 1935. С. 74-84.
Шмальгаузен И.И. Кибернетические вопросы биологии. – Новосибирск: Наука, 1968. – 396 с.
Шуберт Р. Биоиндикация загрязнения наземных экосистем / Под. Ред. Р. Шуберта. - М.: Мир, 1990. -412 с.