XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

БИОИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ПО СОСТОЯНИЮ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (Pinus sylvestris L.)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Минаев Д.С. 1

---

1ЧОУ «Православная гимназия г. Саратова»

Назарова И.П. 1

---

1ЧОУ «Православная гимназия г. Саратова»

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Берегите эти земли, эти воды,

Даже малую былиночку любя.

Берегите всех зверей внутри природы,

Убивайте лишь зверей внутри себя!

Е. Евтушенко

Загрязнения атмосферы городов – одна из самых распространённых проблем в настоящее время. Основным источником загрязнения воздушной среды является промышленность и автотранспорт. С каждым годом состояние здоровья человечества катастрофически ухудшается; появляются новые ранее не известные заболевания, причины которых часто связанны с изменением состояния воздуха.

В начале ХХ века, в период, когда началось освоение окраин нашей страны, биоиндикационные исследования стали интенсивно развиваться. Биоиндикация – метод исследования, позволяющий судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов – биоиндикаторов. Биоиндикаторы - организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания.

В последнее время весьма актуальными являются наблюдения за изменениями состояния окружающей среды, вызванными антропогенными причинами.

Главный враг леса – диоксид серы или иначе сернистый газ. Больше всего от него страдают сосновые леса. Сосновые насаждения – очистители воздуха от пыли. Качество очищения зависит от количества и поврежденности поверхности хвои. У хорошо развитого взрослого дерева сосны общая длина хвоинок превышает 200 км. Этим определяется высокая фильтрующая способность дерева.

Для выявления загрязнения воздушной среды и почвы вид-индикатором может служить сосна. В ее коре, древесине и хвое могут накапливаться загрязняющие вещества, оказывая влияние на рост и жизнедеятельность дерева.

Сосна обыкновенная – может служить биоиндикатором круглогодично, как на региональном, так и на локальном уровне.

Цель: оценка состояния лесопарков города Саратова и Саратовской области (Новобурасский район, село Лох) под влиянием антропогенных воздействий.

Задачи:

• изучить литературу по теме исследования;

• выявить влияние атмосферного загрязнения на морфологические признаки и состояние хвои сосны обыкновенной;

• проанализировать и обобщить результаты исследования;

• предложить практические рекомендации по мерам предупреждения загрязнения атмосферы.

Актуальность темы:

Тема актуальна потому, что позволяет выявить степень загрязнения атмосферы города Саратова и Саратовской области (Новобурасский район, село Лох) с помощью биоиндикационного метода, так как загрязнение атмосферы оказывает отрицательное воздействие на все живые организмы.

Предмет исследования: сосны, расположенные на разных выбранных участках города и области.

Место проведения: г. Саратов и Саратовская область (Новобурасский район, село Лох).

Сроки проведения: октябрь - декабрь 2023 г.

Гипотеза: сосну обыкновенную можно использовать в качестве биоиндикатора для оценки загрязнённости атмосферы.

Этапы исследования.

1 этап. Выбор объекта исследования.

2 этап. Сформулировать цель исследования.

3 этап. Выдвинуть гипотезу исследования.

4 этап. Сформулировать задачи исследования.

5 этап. Изучение и анализ литературы.

6 этап. Выбор методов исследования.

7 этап. Проведение экспериментов, систематизация работы, анализ результатов.

8 этап. Написание проекта. Оформление проекта.

Методы исследования:

Теоретические методы (абстрагирование, анализ и синтез, от абстрактного к конкретному).

Эмпирические методы (наблюдение, сравнение, эксперимент).

Математические методы (статистические, диаграммы, таблицы).

Исследовательские методы (проведение эксперимента).

Литературный обзор.

На сегодняшний день экологическая ситуация в Саратовской области неидеальна. Для подтверждения этого факта достаточно взглянуть на доклады о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области за последние пару лет, подготовленные комитетом охраны окружающей среды и природопользования области, а также следить за сообщениями СМИ на экологическую тему, где ежедневно появляются заметки о тех или иных нарушениях природоохранного законодательства, авариях и проблемах накопленного экологического ущерба.

По своему промышленному потенциалу г. Саратов относится к крупнейшим городам России, причем с исключительно многопрофильной промышленностью, главными среди отраслей которой являются нефтеперерабатывающая, химическая, и стройиндустрия. Рост производства, большая индустриальная нагрузка на окружающую среду, высокая плотность населения, низкая экологическая культура всех слоев общества - все это предопределяет возрастающую экологическую напряженность в городе и области. Мощное давление на окружающую среду усугубляется рядом факторов: подъемом производства в особо «загрязняющих» отраслях (топливной, нефтеперерабатывающей, энергетической, машиностроительной, производстве строительных материалов), увеличением количества автомобилей, критическим уровнем захламления земель промышленными и бытовыми отходами различных классов опасности.

Ежегодно стационарными источниками предприятий, расположенных на территории области, в атмосферный воздух выбрасывается около 400 тыс. тонн загрязняющих веществ. При этом наблюдается устойчивая тенденция роста выбросов: если в 2021 г. выброшено 371,4 тыс. тонн загрязняющих веществ, то в 2022 г. – 377,2 тыс. тонн. Уровень загрязнения атмосферного воздуха в 2022 г. году также увеличился. В г. Саратове в 2022 году выявлено: примеси (оксид углерода, диоксид азота, хлорид водорода, аммиак, формальдегид) СИ (стандартный индекс) - 4,5; хлорид водорода НП (наибольшая повторяемость ПДК) - 8,9; диоксид азота «степень загрязнения повышенная». В Новобурасском районе индекс загрязнения атмосферы – 1,5 в 2022 г. (в 2021 г. – 0,6).

Село Лох Новобурасского района Саратовской области располагается в северной части Правобережья области. Природно-климатические особенности этого района заключаются в том, что он является зоной южной лесостепи и северной степи, для него характерен умеренно-континентальный климат. Масса выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников в этом районе, также имеет тенденцию к повышению.

Главной экологической проблемой для Саратовской области, как и для большинства крупных индустриально развитых регионов России, является загрязнение воздушного бассейна. Качество атмосферного воздуха является важнейшим фактором, определяющим состояние живой природы и здоровья населения. Ежедневно человек потребляет 15-16 кг воздуха - во много раз больше, чем воды и пищи. Атмосфера в городе во многом зависит от деятельности человека, его умения и готовности предотвратить ее дальнейшее загрязнение.

Важнейшие виды деятельности человека приводят к загрязнению воздушного бассейна, нарушению сбалансированного состава атмосферы и возникновению определенного риска для здоровья людей. Поэтому проблема загрязнения атмосферного воздуха остается в числе приоритетных гигиенических проблем, оказывающих непосредственное влияние на здоровье населения Саратовской области.

Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха в г. Саратове и Саратовской области осуществляет ФГУ «Саратовский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды», являющийся представителем Федеральной Службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Наблюдения в городе проводятся в четырех административных районах: Волжском, Кировском, Ленинском, Заводском; на шести стационарных постах государственной службы наблюдений (ПНЗ) ежедневно с периодичностью шесть дней в неделю, 3 раза в сутки.

Сведения о сети атмосферного мониторинга (Приложение 1) Основными загрязняющими веществами в Саратове и Саратовской области являются бенз(а)пирен, диоксид азота, фенол и формальдегид. По данным Министерства природных ресурсов и экологии РФ Саратов входит в приоритетный список тридцати городов с очень высоким уровнем загрязнения воздуха, для которых комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) равен или выше 14.

Природная среда претерпевает большие изменения под влиянием деятельности человека. Растения являются важным элементом биологического мониторинга, так как чутко реагируют на состояние природной среды. Поэтому исследователи рассматривают растения как наиболее чувствительные и надёжные индикаторы загрязнённости атмосферы (Артамонов В.И., 1989). Отрицательно воздействуют на растения практически все выбросы, но особенно: окислы серы, частицы тяжёлых металлов, соединения фтора, углеводороды, окись углерода, содержащаяся в выхлопных газах автомобилей. Растения рано стареют, редеет и уродуется их крона, преждевременно желтеют и опадают листья и хвоя. По мнению Артамонова В.И. индикатором загрязнённости атмосферы может служить сосна обыкновенная. В нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3-4 года, а поблизости от источников загрязнения атмосферы – значительно раньше. Особенно чутко реагирует сосна на загрязнения сернистым газом. Под его влиянием хвоя сосны в зонах сильного загрязнения приобретает тёмно-красную окраску, затем отмирает и опадает, просуществовав всего год.

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.

Для оценки состояния атмосферного воздуха нами используется биоиндикатор сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) Общеизвестно, что она является видом, реагирующим на загрязнение среды обитания продуктами техногенеза. Этот фитоиндикатор в естественных условиях растет в наших лесах. В связи с этим сосна обыкновенная представляет собой удобный объект для биоиндикации уровня загрязнения.

Биоэкологические особенности сосны обыкновенной.

Сосна обыкновенная – вечнозелёное хвойное дерево, в благоприятных условиях достигающее 45 метров высоты и 80-100 см в диаметре, с продолжительностью жизни 300-400 лет.

Сосны – однодомные растения, опыляются ветром. Мужские шишечки развиваются у основания молодых удлинённых побегов в пазухах кроющих листьев. Пыльца – с воздушными мешками, облегчающими процесс опыления ветром. Женские шишки возникают на концах удлинённых побегов. Созревают шишки на второй или третий год.

Корневая система у сосен мощная, со стержневым корнем, глубоко уходящим в землю и широко раскидывающимися боковыми корнями. Семена сосен богаты протеинами, маслами и представляют собой ценный корм для птиц и млекопитающих.

Сосна – светолюбивая порода и хорошо растёт только без затенения. При естественном и искусственном возобновлении сосны на вырубках с высокопроизводительными почвами необходимо осветление, т. е. удаление лиственных пород, которые по высоте перегоняют сосну, резко ухудшают её рост и приводят к гибели.

Характерной особенностью сосны обыкновенной является очень высокая устойчивость к низкой относительной влажности воздуха, о чём свидетельствует успешное произрастание сосны в степных районах. Даже в засушливые годы сосновые леса повреждаются в значительно меньшей степени, чем леса, состоящие из других пород. У сосны, особенно в молодом возрасте, очень хорошо выражена способность восстанавливать усыхающие вершины при их отмирании.

Сосна обыкновенная не отличается высокими требованиями к почвенно-грунтовым условиям. В отличие от других хвойных и лиственных пород она обладает исключительной способностью формировать леса на бедных, а также сильно заболоченных почвах.

Сосна обыкновенная характеризуется мутовчатым расположением ветвей и побегами двух видов: удлинёнными, с бурыми чешуевидными листьями, появляющимися весной и потом деревенеющими, и укороченными, развивающимися в пазухах чешуевидных листочков и несущими чешуевидные и нормально развитые игловидные листья – хвоинки. Листья чешуйчатые и игольчатые. Хвоя сизо-зеленоватого цвета. Длина хвои сосны обыкновенной колеблется от 2 до 8 см. На северной части кроны длина хвои меньше, чем на южной.

Хвоинки растут вместе со стеблем, постепенно отходя от него, в июле в молодых листьях идёт одревеснение тканей. В молодой хвое по сравнению со старой значительно меньше хлорофилла и больше воды. Средняя продолжительность жизни хвои 3-4 года. В крайне неблагоприятных условиях, особенно при сильной загрязнённости атмосферы в больших промышленных городах, она сокращается до 2 лет и даже до 1 года. И, наоборот, в некоторых случаях хвоя может держаться 6-7 и даже 8-9 лет.

Органы и ткани организма животных и растений проявляют дифференциальную чувствительность к различному виду антропогенным воздействиям.

В незагрязненных лесных экосистемах основная масса хвои здорова, не имеет повреждений, и лишь малая часть хвоинок имеет светло-зеленые пятна и некротические точки микроскопических размеров, равномерно рассеянные по всей поверхности. В загрязненной атмосфере появляются повреждения, и снижается продолжительность жизни хвои сосны.

Под действием загрязнителей происходит подавление репродуктивности сосны. Число шишек на дереве снижается, уменьшается число нормально развитых семян в шишках, заметно изменяются размеры женских шишек (до 15-20 %). Биоиндикатором загрязненности атмосферы может служить ежегодный прирост деревьев по высоте, который на загрязненных участках может быть на 20-60 % ниже, чем на контрольных. Информативной по техногенному загрязнению является продолжительность жизни хвои (от 1 до 5 и более лет).

Дефолиация (обезлиствление), появление некрозов (омертвление в живом организме какого-либо органа, его ткани или клеток) и хлорозов (заболевание растений, вызванное избытком в почве железа, марганца, меди, калия, которое выражается в пожелтении листьев). Под воздействием соли, используемой для таяния снега, происходит осыпание хвои у сосны. При увеличении концентрации SO₂ наблюдаются аномальные изменения формы, количества и положения органов у хвойных растений, а также после радиоактивного облучения.

Ткани листьев древесных растений, повреждённые в результате антропогенного загрязнения воздуха, перестают выполнять свои функции (фотосинтез, газообмен, транспирация). Значительно уменьшается их пылезадерживающая роль. Проявление основных функций листа зависит от площади здоровой поверхности листа.

Все, что окружает растение и оказывает на него прямое или косвенное воздействие, составляет в широком смысле среду его обитания. Роль отдельных элементов среды обитания в жизни растений неодинакова. Одни из этих элементов жизненно необходимы, другие влияют на растение, но не обязательны, третьи безразличны.

Методика, объект, результаты и обсуждение исследования.

Методика индикации чистоты атмосферы по хвое состоит в следующем:

1. Определить участки проведения работы. Они должны находиться в зонах, контрастных по уровню атмосферного загрязнения:

1. 1. вблизи автодорог, промышленных предприятий и т.п.;

   2. в зелёной зоне города;

   3. в лесной зоне Саратовской области (Новобурасский район, село Лох)

2. Определить состояние хвои сосны:

1. 1. 1. 1. выявить степень повреждения хвои.

С ветвей 5-10 деревьев отбирают побеги одинаковой длины. С них собирают всю хвою и визуально анализируют её состояние. Степень повреждения хвои определяют по наличию хлоротичных пятен, некротических точек, некрозов (повреждение 1-го класса – хвоинки без пятен, 2-го класса – с небольшим числом мелких пятен, 3-го класса – с большим числом пятен), усыханием (усыхание 1-го класса – кончик на 2-5 мм усох, 2-го класса – усохла треть хвоинки, 3-го класса – вся хвоинка жёлтая или более половины её длины сухая); (Приложение 2)

b ) результаты учётов занести в таблицу (Таблица 1);

c) сделать вывод о состоянии хвои в разных районах города и области.

Исследования были проведены на опытных участках:

Участок 1: Заводской район (Крекинг); (Приложение 4)

Участок 2: Фрунзенский район (Октябрьское ущелье); (Приложение 4)

Участок 3: Новобурасский район Саратовской области (село Лох). (Приложение 4)

Выводы:

У сосен на участке №1, растущих вблизи автодорог и химических предприятий, живой, здоровой хвои совсем мало. Выхлопной газ с вредными веществами, проникая внутрь через устьица, вызывает отравление живых тканей. В результате хвоя повреждается и усыхает.

На участке №2, обнаружили хвоинки сосны обыкновенной с небольшими повреждениями - мелкими пятнышками и усохшими на кончике участками. На участке №3 хвоинки, в большинстве не повреждены, они ярко сизо-зеленые, чистые, пятен мало, нет у них усохших участков.

3.Определить продолжительность жизни хвои:

а) отбирается хвоя первого, второго и третьего года жизни с собранных побегов; (продолжительность жизни хвои устанавливают путем просмотра побегов с хвоей по мутовкам. Количество учетных деревьев – 7 на каждом участке.) (Приложение 3);

б) результаты заносятся в таблицу (Таблица 2);

в) рассчитать индекс продолжительности жизни хвои (Q) по формуле Q=
где В₁, В₂, В₃ – количество хвоинок с продолжительностью жизни соответственно 1, 2 и 3 года жизни;

г) результаты занести в таблицу (Таблица 2).

Автором методики является Т.Я. Ашихмина, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией биомониторинга Института биологии Коми НЦ УрО РАН и ВятГГУ.

Заключение. Выводы.

Экологическое состояние Саратова и Саратовской области характеризуется как сложное. Рост объемов производства, большие антропогенные нагрузки на окружающую среду, сравнительно высокая плотность населения приводят к росту экологической напряженности. Преобладание в экономическом секторе устаревших «грязных» производств, концентрация промышленных объектов и населения, растущее количество автотранспортных средств, использование на предприятиях устаревших технологий, постоянное увеличение площадей для размещения отходов негативно сказываются на качестве окружающей среды г. Саратова и Саратовской области и, как следствие, на состоянии здоровья населения в целом.

Выводы:

Проанализировав научные данные о сосне обыкновенной, мы изучили её индикационные способности. В результате своего исследования:

- по изучению растений – биоиндикаторов (сосны обыкновенной) в данной местности можно сделать вывод, что на выбранных участках 1 и 2 разное загрязнение, но антропогенное воздействие на них усиливается;

- из-за увеличения масштабов антропогенного воздействия (хозяйственной деятельности человека), особенно в последнее столетие, нарушается равновесие в биосфере, что может привести к необратимым процессам и поставить вопрос о возможности жизни на планете.

1) Состояние атмосферного воздуха (участок 3) в общем можно оценить как чистое.

2) Выше степень загрязнения воздуха (участок 2) можно оценить как относительно чистое («норма»).

3) Более высокую степень загрязненности воздуха (участок 1) - там его состояние можно оценить как близкое к загрязнённому («тревога»).

Источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы, а также нарушения экологического равновесия в биосфере, множество. Однако самыми значительными из них являются два: транспорт и промышленность. Источниками загрязнения являются выхлопные газы автомобилей.

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы, картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода (СО), углеводороды (СХHY), окислы азота (NOX), бензапирен, альдегиды и сажу. Распределение основных компонентов выбросов у карбюраторного двигателя следующее: отработавшие газы содержат 95% СО, 55% СХHY и 98% NOX, картерные газы по – 5% СХHY, 2% NOX, а топливные испарения – до 40% СХHY. Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания представлены в таблице 3.

Сосновые леса наиболее чувствительны к загрязнению воздуха.

Вопрос экологии окружающей среды остается по-прежнему актуальным, поэтому в перспективе, можно продолжить мониторинг участков не только по состоянию хвои, но и по шишкам сосны.

Если увеличится количество автотранспорта, то это повлечет за собой ряд нежелательных последствий – такое растение как сосна не сможет существовать в условиях загрязнения.

В ходе исследования мы подтвердили свою гипотезу. Сосна является биоиндикатором чистого воздуха, там, где воздух сильно загрязнен, на хвое сосны появляются повреждения и снижается продолжительность жизни дерева. Таким образом, сосна является основным чистильщиком окружающего воздуха, дает людям тепло, жилище, строительные материалы. Помогает сохранять здоровье. Её шишками кормятся разные животные. В результате анализа литературных источников и проделанной работы мы изучили биологические и экологические особенности хвойных растений на примере сосны обыкновенной и убедилась, что она может быть объектом индикации состояния атмосферного воздуха в условиях города.

Мы рекомендуем использовать результаты этой работы на различных уроках (биология, география, химия, экология), а также при проведении внеклассных мероприятий. В перспективе, мы думаем привлечь внимание общественности к проблеме состояния окружающей среды.

Предлагаю рекомендации по мерам охраны окружающей среды:

1. Всем жителям соблюдать правила пользования лесными богатствами.

2. Регулярно проводить мониторинг состояния леса и участков вдоль трассы.

3. Проводить экологическое просвещение населения: каждый водитель должен знать, что причина дымления автомобиля – неисправность двигателя, неотлаженность системы питания или зажигания. Только за счет правильной регулировки автодвигателей выброс вредных веществ в атмосферу можно уменьшить до 5 раз.

4. Необходимо улучшить качество дорожного полотна.

5. Использовать более безвредное топливо.

6. Продолжить работу по озеленению придорожной зоны.

Земля у нас одна. Мы должны заботиться о хорошем будущем, о прекрасной Земле, о дружбе человека и природы. Ни лес, ни озеро, ни горы, ни животный и растительный мир не могут сами позаботиться о себе. Вот это желание светлого, доброго, прекрасного будущего должно объединять каждого из нас, вспомним строчки из стихотворения Р. Рождественского:

«Всё меньше окружающей природы,

Всё больше окружающей среды».

Список литературы.

1. Алексеев С.В., Груздева Н.В., Муравьев А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии: Учебное пособие под ред. С.В. Алексеева. – М.: АО МДС,1996, 192с.

2. Ашихмина Т.Я. Школьный экологический мониторинг. Учебно-метод. пособие, М.: АГАР, 2017.

3. Биология в школе. Научно-методический журнал. №1, 2 2019.

4. Биология. Газета. №4, 2021.

5. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберт. М.: Мир, 2000.

6. Лесная энциклопедия: В 2-х т./Гл. ред. Воробьев Г.И.; Ред. кол.: Анучин Н.А., Атрохин В.Г., Виноградов В.Н. и др. - М.: Сов. энциклопедия, 1985.-563 с., ил.

7. Кузьмин А.В., Жиров В.К., Исаков В.Н. Статистические закономерности морфогенеза листа в условиях неоднородной среды // Экология. – 2005. - № 5. – С. 68-70.

8. Петров В.В. Растительный мир нашей Родины, 2-е изд., Москва «Просвещение», 2016, с 32

9. Тимофеев А.Н. Биоэкологические исследования школьников (Биология в школе, 2017, №2, с.63-66)

10. http://promeco.h1.ru/lek/monitoring.shtml

11. http://www.allbest.ru/

12.Доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2022 году». - Саратов, 2022

13. ФГУ “Саратовский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» Ежемесячный экологический бюллетень «Качество природной среды». 2021 г., 2022 г.

Приложение 1.

Сведения о сети атмосферного мониторинга

Приложение 2.

Таблица №1

Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы (измеряемые показатели – количество хвоинок).

Приложение 3.

Схема определения продолжительности жизни хвои сосны

Таблица 2

Продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной в разных зонах.

Таблица 3.

Приложение 4.

Фрунзенский район (Октябрьское ущелье)

Новобурасский район Саратовской области (село Лох)