Исследование качества пыльцы сосны обыкновенной в условиях города Ейска

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ёрж С.С. 1

---

1ГКОУ школа-интернат №1 г. Ейска

Десюк С.Н. 1

---

1ГКОУ школа-интернат №1 г. Ейска

Работа в формате PDF

797.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Научно-исследовательская работа

Биология

Исследование качества пыльцы сосны обыкновенной в условиях города Ейска

Выполнила:

Ёрж Софья Сергеевна

учащаяся 8 класса

ГКОУ школы-интерната №1 г. Ейска

Руководитель:

Десюк Светлана Николаевна

учитель биологии

ГКОУ школы-интерната №1 г. Ейска

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

К наиболее острой проблеме экологии городской среды относится загрязнение атмосферного воздуха. Процесс урбанизации сопровождается бурным ростом автомобилизации во всех странах мира. Автотранспорт остаётся основным источником загрязнения атмосферного воздуха в городе и в наибольшей степени из всех видов транспорта загрязняет окружающую среду. Выхлопные газы транспортных двигателей – чрезвычайно сложная смесь компонентов, в них обнаружено более 200 химических соединений и элементов, из которых наиболее вредными являются оксид углерода (0,5-10% объёмов выбросов), оксид азота (до 0,8%), несгоревшие углеводороды (0,2-3%). При сжигании 1 л бензина в воздух попадает 200-400 мг свинца, в течение года один автомобиль выбрасывает в среднем около 1 кг этого металла. Несмотря на проводимые в стране и за рубежом разработки по обезвреживанию отработанных газов, загрязнение воздушного бассейна транспортными выбросами остаётся значительным 1, с. 105. Кроме того, тяжёлые металлы поступают в окружающую среду не только с отработанными газами, но и с продуктами разрушения тормозных колодок, автомобильных шин и дорожного полотна2, с. 64.

Суммарный объём выбросов загрязняющих веществ на территории РФ составляет 35 млн. тонн в год, из них 60% приходится на автотранспортный комплекс и 40% на выбросы предприятий промышленности. Уровень автомобилизации в России достиг 200 автомобилей на 1000 жителей и продолжает быстро расти. Рост автомобильного парка практически не поддаётся управлению и контролю. Опасность загрязнения автотранспортом обусловлена непосредственной близостью источников загрязнения к жилым районам; расположением источников загрязнения вблизи земной поверхности, в результате чего отработавшие (выхлопные) газы скапливаются в зоне дыхания людей. Особенно высокое содержание отработавших газов автотранспорта скапливается на уличных перекрёстках перед светофором, где двигатели автомобилей работают на богатых смесях 1, с. 239.

Одной из основных причин, существенно влияющих на состояние воздушного бассейна населенных пунктов Краснодарского края, является выброс в атмосферный воздух значительного количества загрязняющих веществ от автотранспортных средств – более 600 тысяч тонн в год. Высокой концентрации вредных веществ в воздухе способствуют особые климатические условия, характеризующиеся пониженной рассеивающей способностью атмосферы. Основная доля загрязняющих веществ в крупных городах Краснодарского края, таких как Краснодар, Новороссийск, Туапсе, Анапа, Ейск, Армавир, Белореченск, а также в город-курорт Сочи приходится на автомобильные выбросы. Вклад автотранспорта в суммарный выброс загрязняющих веществ от передвижных и стационарных источников по краю в целом составляет более 80 процентов 3, с. 44.

При установившейся тенденции роста количества автомобильного транспорта уже в ближайшие годы автомобилизация Краснодарского края превысит критический уровень – 300 автомобилей на одну тысячу жителей. Возрастающий статус Кубани как курортно-туристической зоны привлекает дополнительно большое количество туристов, многие из которых приезжают на отдых на собственном транспорте.

Актуальность темы

Загрязнение атмосферного воздуха является одним из главных факторов, негативно влияющих на здоровье населения.

Контроль качества окружающей среды с использованием биологических объектов в последние десятилетия оформился как актуальное научно-прикладное направление. Поэтому актуальность данного исследования очевидна: проведение данных исследований сосновых насаждений позволит контролировать степень повреждающего действия аэрополлютантов, будет способствовать планированию и проведению мероприятий по мониторингу и контролю экологического состояния атмосферного воздуха в городе Ейске.

Предмет исследования: влияние выхлопных газов автотранспорта на качество пыльцы сосны обыкновенной.

Объект исследования: пыльца сосны обыкновенной, сформированная в насаждениях города Ейска с разным уровнем антропогенной нагрузки.

Цель исследования: изучить качество пыльцевых зёрен сосны обыкновенной, произрастающей в условиях городской среды города Ейска с разной антропогенной нагрузкой.

Для достижения цели нами определены следующие задачи:

изучить влияние выхлопных газов автотранспорта на качество пыльцы сосны обыкновенной;

выявить морфологические изменения в строении пыльцы сосны обыкновенной;

определить степень влияния выбросов автотранспорта на фертильность пыльцы сосны обыкновенной в различных районах города Ейска.

Гипотеза исследования: можно предположить, что загрязнение окружающей среды выхлопными газами автотранспорта влияет на фертильность и морфологическую структуру пыльцы сосны обыкновенной.

Методы исследования: экспресс-метод биоиндикации, цитоморфологический метод.

Глава 1. Методы биоиндикации

1.1. Палинологические методы биоиндикации

Палинологические методы биоиндикации – это оценка качества среды обитания, уровня её загрязнения, где в качестве тест-объекта используется пыльца растений.

На сегодняшний день используют экспресс-методы биоиндикации, которые позволяют на измерении одной или нескольких функций живого объекта давать быструю и точную оценку состояния окружающей среды. В отличие от классических методов, экспресс-методы более перспективны и менее трудоёмки. Преимущество биоиндикационных методов над физико-химическими заключается в том, что биоиндикация обращается к живому объекту, который реагирует на весь комплекс загрязняющих веществ. Благодаря поглотительной деятельности растений происходит очищение атмосферного воздуха. Однако, возможности этих систем ограничены. Растения очень чутко реагируют на загрязнение окружающей среды, что обуславливает использование их в качестве индикаторов загрязнённости атмосферы [4]. Высокую чувствительность к загрязнению показывает пыльца сосны обыкновенной Pinus sylvestris L.

Метод биоиндикации является достаточно точным и недорогим методом исследования. Хвойные удобны тем, что могут служить биоиндикаторами круглогодично. Использование хвойных даёт возможность проводить биоиндикацию на огромных территориях, при этом их использование на малых территориях также весьма информативно [5, с. 135].

Глава 2. Материалы и методы исследования

2.1. Характеристика районов исследования

Для сбора пыльцевых проб были определены три района в черте города Ейска, различающиеся по степени антропогенной нагрузки и находящиеся друг от друга на достаточно большом расстоянии: 1 район – пересечение улиц Коммунистической и Баррикадной с высокой антропогенной нагрузкой на оживлённом перекрёстке вблизи светофора, сосны растут всего в нескольких метрах от дороги; 2 район – площадь Молодёжная, несколько удалена от автодороги (150-200 м), сосны закрывают ряды лиственных деревьев и кустарников. В качестве зоны контроля (3 район), условно чистая зона, выбрана территория, расположенная в пешеходной зоне городского парка им. И. Поддубного (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Районы исследований: 1 – пересечение ул. Коммунистической и ул. Баррикадной; 2 – площадь Молодёжная; 3 – парк им. И. Поддубного.

Так как исследуемые районы находятся друг от друга на большом расстоянии, можно утверждать, что деревья находятся в разных экологических условиях.

2.2. Материалы и методы исследования

Для успешной реализации нашего исследования мы выбрали оптимально подходящий объект исследования и методику, удовлетворяющую всем требованиям биотестирования и биондикации.

В городе Ейске в качестве биоиндикатора сосна обыкновенная оказалась наиболее удобным объектом исследования: широкое распространение, большое количество пыльцы, несложное и равномерное её отделение из пыльников, высокая чувствительность пыльцы к загрязнению воздуха.

Материалом для исследования служили мужские шишки сосны обыкновенной с уже созревшей пыльцой в начале массового пыления. Сбор пыльцы осуществлялся с 10 по 13 мая 2020 года из нижнего яруса кроны 3-5 деревьев на территории трёх исследуемых районов города Ейска в сухую солнечную погоду из естественно раскрывшихся мужских шишек (рис. 2.2; 3.2), в подписанные пластиковые контейнеры с крышкой.

Рис. 2.2. Мужские шишки (микростробилы) сосны обыкновенной на дереве

Рис. 3.2. Сбор мужских шишек сосны обыкновенной с созревшей пыльцой в пластиковый контейнер

Из образцов пыльцы, собранной во время пыления, готовились временные цитологические препараты, на которых определялись морфологические показатели качества пыльцевых зёрен (форма, количество воздушных мешков) и фертильность пыльцы, проводился анализ аномалий пыльцевых зёрен. Содержание крахмала в пыльце определяли с использованием стандартной методики: йодным методом – окрашиванием раствором Люголя [6, с. 209]. Аномалии морфологии пыльцевых зёрен определяли согласно описанной методике исследования Носковой Н. Е., Третьяковой И. Н. 2006 [7].

Приготовление и анализ временных цитологических микропрепаратов проводили по следующему плану (Приложение 1):

пыльца в контейнерах просеивалась, чтобы исключить попадание постороннего материала в микропрепарат;

препаровальной иглой пыльцу помещали на предметное стекло;

с помощью стеклянной палочки наносили на пыльцу каплю раствора Люголя и размешивали препаровальной иглой так, чтобы все пыльцевые зёрна были в растворе, а не плавали на поверхности, равномерно их распределяя;

выдерживали препарат в таком виде в течение двух минут, после этого накрывали каплю покровным стеклом и рассматривали препарат под микроскопом Биомед с подсветкой при увеличении Ок.×10; Об.×40 (если под покровным стеклом накопилось много пузырьков воздуха, препарату давали немного постоять);

через 3-4 минуты исследовали пыльцу, подсчитывали количество фертильных и стерильных пыльцевых зёрен в 4 микропрепаратах каждого района исследования (по 5 полей зрения), передвигая его по предметному столику методом «челнока», т. е. зигзагом (рис. 4.2);

выявляли аномалии пыльцевых зёрен, фиксировали все данные в таблице;

определяли процент фертильных и стерильных пыльцевых зёрен.

Рис. 4.2. Поля зрения микропрепарата

Данные, полученные при применении йодного метода, представлены в таблице (Таблица 1).

Таблица 1. Распределение пыльцевых зёрен сосны обыкновенной по интенсивности окрашивания раствором Люголя в зонах исследования

Фертильные и стерильные пыльцевые зёрна отличаются по содержанию крахмала, что выявляется цитологически после окрашивания их йодным раствором Люголя. Фертильные и стерильные пыльцевые зёрна отличаются по содержанию крахмала: обычно фертильное пыльцевое зерно полностью заполнено крахмалом, а стерильное не имеет его совсем или содержит следы. Стерильная пыльца не окрашивается совершенно или её внутреннее содержимое окрашивается фрагментарно. Выделяли три группы пыльцы по интенсивности окрашивания: бесцветную считали стерильной; слабо, средне окрашенную пыльцу – полуфертильной; сильно окрашенную – фертильной (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Пыльцевые зёрна с разной степенью содержания крахмала: а – фертильные пыльцевые зёрна; б – полуфертильные, в – стерильные.

Расчёт отношения фертильных пыльцевых зёрен к стерильным (Ф/С), характеризует чувствительность репродуктивных органов к токсическому загрязнению. Коэффициент чувствительности генеративной системы Pinus sylvestris L. в районе 1 и районе 2 увеличился в 3,6 - 4,3 раза соответственно по сравнению с показателем в районе 3. Полученный результат позволяет нам говорить о том, что генеративная сфера Pinus sylvestris L. довольно чувствительна к техногенной нагрузке.

Достаточно высокий показатель доли пыльцы с высокой степенью окрашивания (фертильности) 82,5 % наблюдали в 3 районе, условно чистый район. Видимо, токсические вещества в атмосфере оказывают негативное влияние на оплодотворяющую способность пыльцы и мы можем предположить, что чем дальше от источника загрязнения, тем более высокую оплодотфоряющую способность имеет пыльца. Здесь же наименьший показатель стерильности клеток пыльцы – 7,6%, в то время как в 1 и 2 районе – 26,4% и 22,1% соответственно, а это приблизительно равный процент стерильной пыльцы в насаждениях из районов с разной степенью техногенного загрязнения, что позволяет рассматривать показатель фертильности пыльцы как чувствительный к малым уровням загрязнения.

Стерильные пыльцевые зёрна могут иметь все типичные признаки морфологического строения, т. е. быть нормально развитыми, но могут иметь и морфологические отклонения в строении. Аномалии встречались и среди фертильных пыльцевых зёрен.

Цитологический анализ пыльцы сосны обыкновенной из различных районов исследования выявил следующие нарушения её морфологии. Так, обнаружены клетки с отсутствием воздушных мешков, что практически исключает возможность их участия в опылении. Распространённым дефектом являлось асимметричное расположение мешков, что ведёт к нарушению лётных свойств пыльцы. Обнаружены клетки, характеризующиеся наличием аномального числа воздушных мешков (три) по сравнению с нормой (два). Некоторые клетки имели нетипичную форму, преимущественно подковообразную. Формы морфологических нарушений пыльцевых зёрен объединили в общую группу «дефектная пыльца» (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Дефектные пыльцевые зёрна сосны обыкновенной: А – отсутствие воздушных мешков; Б – асимметрично расположенные воздушные мешки; В – наличие трёх воздушных мешков; Г – наличие четырёх воздушных мешков; Д – пыльцевое зерно с одним пыльцевым мешком; Е – разные по размеру пыльцевые мешки; Ж – подковообразная форма клетки.

Долю пыльцевых клеток с дефектами определённого типа находили как процент от общего количества просмотренных пыльцевых зёрен (Приложение 3).

Проведённые исследования подтверждают наше предположение о том, что в районе неблагоприятного воздействия выбросов автотранспорта увеличивается количество пыльцы с различными морфологическими нарушениями. Найдено два пыльцевых зерна с четырьмя воздушными мешками в районе 1. Можно предположить, что это связано с необходимостью повышения летучести пыльцы, возникающее в неблагоприятных условиях. Сосна – ветроопыляемое растение. Воздушные мешки пыльцевого зерна играют роль парусов и влияют на эффективность опыления.

Пыльцевые зёрна с отсутствием воздушных мешков, асимметрично расположенными воздушными мешками, наличием трёх воздушных мешков, подковообразной формой клетки, с мелкими воздушными мешками в разном количестве встречались в микропрепаратах всех трёх районов и показатели варьировали в пределах от 13,5% до 18,6%, в то время как в контрольном районе показатель составил 2,2% (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Доля дефектных пыльцевых зёрен в зонах исследования

В целом, процент выявленных дефектов пыльцевых зёрен в районе с повышенной антропогенной нагрузкой (район 1) в 8,5 раза выше, чем в районе контроля (район 3) и в 6,1 раза выше показателей во 2 районе.

Наблюдения и их обработка в течение одного года не дают полной картины, так как важно последить динамику процессов загрязнения окружающей среды. Для получения более достоверных результатов требуется многолетний мониторинг. Представленные результаты носят предварительный характер и требуют дальнейшего всестороннего детального исследования. Таким образом, необходимо продолжить исследования качества пыльцы на протяжении нескольких лет.

Параллельно вести и мониторинг морфологических признаков женских шишек сосны обыкновенной, т. к. оплодотворяющая способность пыльцевых зёрен должна отразиться на количестве и качестве будущих женских шишек, а об этом можно будит судить только на следующий год, когда закончится процесс оплодотворения и развития женских шишек.

В целях улучшения качества атмосферного воздуха, для снижения уровня его загрязнения, мы могли бы рекомендовать проведение озеленительных мероприятий (посадка деревьев, кустарников, цветников), предоставление муниципальной услуги по уборке улиц с применением поливомоечных машин и увлажнением дорожного полотна, а также асфальтирование дорог с гравийным покрытием, находящихся в районах исследования.

Результаты исследований

При повышенной антропогенной нагрузке снижается способность пыльцевых зёрен накапливать крахмал, что приводит к снижению оплодотворяющей способности пыльцы.

В районе с повышенной антропогенной нагрузкой увеличивается доля встречаемости пыльцевых зёрен с различными видами морфологических нарушений. Дефект воздушных мешков, при цитологически нормальном развитии пыльцевого зерна, снижает его летучесть и уменьшает возможность перекрестного опыления. В связи с этим нормальное развитие воздушных мешков приобретает решающее значение в обеспечении генетического разнообразия в популяции.

Генеративные органы голосеменных растений отличаются сложностью строения, большой длительностью и многостадийностью формирования и развития, что делает их уязвимыми к воздействию неблагоприятных экологических факторов. Низкое качество формируемой пыльцы может служить биотестом чувствительности сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. к техногенным факторам, служить показателем неблагоприятной экологической обстановки.

Список литературы

Сафронов Э. А. Транспортные системы городов и регионов. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. – 280 с.

Снежко С. И., Шевченко О. Г. Источники поступления тяжёлых металлов в атмосферу//Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета № 18 Научно-теоретический журнал. – СПб.: изд. РГГМУ, 2011 – 250 с.

http://sitcek.ru/monitoring.html Государственное бюджетное учреждение Краснодарского края «Краевой информационно-аналитический центр экологического мониторинга» (ГБУ КК «КИАЦЭМ») Доклад «О состоянии природопользования и об охране окружающей среды Краснодарского края в 2020 году». – Краснодар, 2021. – 448 с.

Мелехова О. П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 288 с.

Фёдорова А. И., Никольская А. Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2001. – 288 с.

Паушева З. П. Практикум по цитологии растений. – М.: Агропромиздат, 1988. – 271 с.

Носкова Н. Е., Третьякова И. Н. Хвойные бореальной зоны. Влияние стресса на репродуктивные способности Сосны обыкновенной (Pinus Sylvestris L.) Автореферат. – Красноярск, 2006. – с. 54-64

Приложение 1

Этапы приготовления временных микропрепаратов

Приложение 2

Район 1

Район 2

Район 3

Приложение 3

Таблица 1. Изменчивость морфологических показателей пыльцы сосны обыкновенной в зависимости от загрязнения воздуха автотранспортом