Биоиндикация водоемов Арзамасского района

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Биоиндикация водоемов Арзамасского района

Юматова О.В. 1Коптева К.И. 1
1МБОУ "Водоватовская СШ"
Гусенков С.В. 1
1МБОУ "Водоватовская СШ"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
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.

 

Просмотров работы: 51