XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение свойств лишайников для определения чистоты воздуха в Ступинском районе

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Сурков М.Ю. 1Красотин А.Е. 1

---

1МБОУ СОШ №9

Букина И.А. 1

---

1МБОУ СОШ №9

Работа в формате PDF

1.1 MB

Введение.

Человек загрязняет атмосферу уже много лет. Установлено, что в современном мире существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, ТЭЦ, транспорт. Загрязнение атмосферного воздуха неблагоприятно влияет на жизнь и здоровье людей.

Степень загрязнения воздуха определяют различными методами, один из методов лихеноиндикация. Он основан на чувствительности лишайников к загрязнителям окружающей среды. Лишайники поглощают воду всей поверхностью тела в основном из атмосферных осадков и отчасти из водяных паров. И погибают при малейшем загрязнении воздуха. Эти организмы уже много лет используются для наблюдения за распространением в атмосфере более 30 элементов. По официальным данным Ступинский городской округ Московской области считается благополучным с точки зрения экологии. Но в округе много промышленных предприятий, в городе работает ТЭЦ 17, Ступино находится рядом с оживлённой автомагистралью. Было решено проверить с помощью метода лихеноиндикации состояния воздуха в нашем районе.

Цель исследования: изучение лишайников для определения чистоты воздуха методом лихеноиндекации.

Задачи исследования:

1. Изучить строение лишайников, особенности их роста, питания, обмена веществ, условий жизни. Познакомиться с видами лишайников.

2. Изучить функции лишайников и их роль в природе.

3. Исследовать определённый участок Ступинского района на чистоту воздуха методом лихеноиндикации

4. Провести анализ чистоты воздуха по данным исследования.

Объект исследования – состояние атмосферного воздуха в Ступинском районе.

Предметом исследования являются лишайники, как индикаторы загрязнения атмосферного воздуха.

2. Глава 1. Обзор литературы

2.1. История открытия

Первые известные описания лишайников появляются у Теофраста в 3 веке до н.э. Он предполагал, что они представляют собой наросты деревьев или водоросли. Французский врач и ботаник Жозеф Питтон де Турнефор выделил лишайники в отдельную группу в составе мхов. Началом лиихенологии -науки о лишайниках-принято считать 1803 год. Эрик Ахариус выделил их в самостоятельную группу, в которую вошли 906 описанных на то время видов.

В 1866 году русские ботаники Андрей Фаминцын и Осип Баранецкий обнаружили, что зелёные клетки в лишайнике - одноклеточные водоросли. И было установлено, что лишайники-симбиоты. Сегодня лихенология является самостоятельной дисциплиной [4].

2.2. Строение лишайников

Лишайники представляют своеобразную группу комплексных организмов, тело которых всегда состоит из двух компонентов - гриба и водоросли. Гетеротрофный компонент такого сожительства - гриб - обеспечивает водоросль водой и минеральными солями. Взамен гриб получает от автотрофного компонента – водоросли -созданные в процессе фотосинтеза органические вещества (Приложение1).

Признаки лишайников:

1. Симбиотическое сожительство двух разных организмов - гриба и водоросли.

2. Лишайники образуют особые жизненные формы, не встречающиеся отдельно у грибов и водорослей.

3. Для лишайников в целом и каждого из их отдельного компонентов, в отдельности характерен особый тип метаболизма (обмена веществ) - гриб получает от водоросли органические вещества, которые она создает в процессе фотосинтеза, гриб даёт водоросли воду, которую берёт из воздуха.

4. Отличный от других групп организмов способ размножения, медленный рост, отношение к экологическим условиям.

2.3. Виды лишайников

По форме таллома лишайники делят на три группы.

1. Накипные: слоевище в виде корки или налёта, прикрепляющееся к субстрату всей своей поверхностью.

2. Листоватые: слоевище в виде пластинок, прикрепляющееся к субстрату в одной или нескольких отдельных точках с помощью коротких выростов.

3. Кустистые: прямостоячее или свисающее слоевище, прикрепляющееся к субстрату в одной точке и, как правило, ветвящееся [3] (Приложение 2).

Особенность роста лишайников:

Лишайники могут поселяться в самых бесплодных местах, где другие организмы не выживают. Они способны жить в разных условиях и поселяются на отвесных скалах, стенах, даже на стёклах. Но в основном лишайники растут на деревьях и камнях. В год слоевище может давать прирост 0,2-0,3 мм. Кустистые и листоватые лишайники растут несколько быстрее- в год их слоевище может увеличиться на 2-3 мм. [1]. Произрастая на коре деревьев, лишайники не причиняют вреда деревьям, так как у них нет корней, и они используют кору только для прикрепления. Они не забирают питательные вещества у деревьев.

Единственное, что не выносят лишайники - это загрязнение воздуха. Эту особенность они переняли от одного из составляющих их тела – грибов. У грибов своеобразный обмен веществ. Их плодовые тела не умеют избавляться от загрязнений, которые попали в них из воздуха. Поэтому так опасно собирать грибы вдоль дорог. Машины выделяют в воздух оксиды азота и серы, соединения тяжёлых металлов, фторо- и хлороводород, которые являются вредными для живых организмов. Грибы будут содержать все эти соединения и могут быть ядовитыми для человека, даже если они съедобные. Плодовое тело гриба живёт очень маленький срок. Вызревают споры и плодовое тело погибает, выполнив свою функцию. В отличие от плодовых тел грибов, лишайники живут много лет. Обычно, возраст взрослых слоевищ, которые можно увидеть в лесу на стволе деревьев или на почве, составляет не менее 20-50 лет. Лишайники точно также, как плодовое тело гриба, не умеет выделять из своего таллома вредные вещества. Многие лишайники погибают при малейшем загрязнении атмосферы.

2.4. Основные функции лишайников

Лишайники обладают уникальными свойствами и играют важную роль в экосистемах.

1. Они появляются в природе с миссией подготовки почвы для растений. Лишайники первыми поселяются в бесплодных, лишённых жизни местах, например, на обломках горных пород, разрушая их медленным выделением кислотных веществ, и, отмирая, образуют первичную почву. Во время роста они могут задерживать пыль, которая будет способствовать формированию почвы. В пустынных районах лишайники способствуют закреплению песков, а в лесах и тундре предохраняют верхний плодородный слой почвы от разрушения.

2. Лишайники участвуют в круговороте азота, преобразуя азот воздуха в нитраты, которые способствуют их росту и развитию. Их способность фиксировать атмосферный азот полезна и для других растений. Дождь вымывает азот, как из живых, так и из мертвых лишайников и делает его доступным для растений в непосредственной близости.

3. Когда лишайники отмирают, они вносят свой вклад в разложение органических веществ, что позволяет мхам и семенам начать развитие в карманах новой почвы.

4. Лишайники во многих культурах использовались в пищу как лекарство и краситель. Отмершие клетки и остатки лишайников могут служить пищей для различных микроорганизмов и детритофагов - бактерий и грибов.

5. Около 50 видов птиц регулярно используют кустистые лишайники в качестве гнездового материала [5]. Некоторые животные используют их в пищу(Приложение 3).

6. Лишайники могут быть использованы в экологическом мониторинге. Они чувствительны к чистоте атмосферы и выступают в роли индикаторов загрязнения воздуха. При загрязнении воздушной среды выхлопами машин, выбросами заводов и фабрик лишайники отмирают. От оксида серы (2) в атмосфере гибнут почти все виды лишайников [8].

2.5 Характеристика экологических условий городского округа Ступино Московской области.

Городской округ Ступино расположен в Московской области. На территории округа представлено большое разнообразие флоры и фауны. Климатические условия территории характеризуются средними показателями для Московской области [9]. В экологическом отношении округ в целом относится к благополучным территориям Московской области [10]. Более 43% территории г.о. Ступино занимают леса. Площадь лесного фонда составляет 73,2 тыс. га. По многим экономическим и социальным показателям округ занимает лидирующие позиции, в т.ч. по объему промышленного производства. В округе находится около 40 крупных и средних предприятий (металлургическое и химическое производство, машиностроение, производство пищевых продуктов и др.). В городе расположены крупные заводы - Ступинская металлургическая компания, Ступинский химический завод, СМПП и др. Открываются новые заводы и фабрики.

Нас заинтересовал вопрос - какие виды лишайников растут в городском округе Ступино и возможно ли с их помощью определить чистоту воздуха. В литературе было установлено, что самая большие загрязнения воздуха даёт автомобильная дорога. Наш город находится вблизи загруженной трассы М4. Было решено проверить есть ли связь между количеством видов и распространением лишайников с расстоянием от трассы. Лишайники по-разному реагируют на загрязнение воздуха. Некоторые погибают при малейшем загрязнении, другие приспособились выживать в городах со сложными условиями. Поэтому некоторые лишайники можно использовать как индикаторы степени загрязненности окружающей среды. Еще в прошлом веке ученые, которые занимались изучением лишайников заметили различия между лишайниковыми флорами естественных и антропогенных ландшафтов. Видовой состав лишайников в разных частях городов, например, в индустриальной зоне и в парковой зоне настолько отличался, что ученые в пределах городов стали выделять «зоны лишайников». Впервые это сделал шведский ученый Р. Сернандер в 1926 г. в Стокгольме [11]. Там центр города с сильно загрязненным воздухом и фабриками назвали лишайниковой «пустыней», зона «соревнования» представляла из себя часть со средней загрязненностью воздуха и с бедной флорой лишайников, и «нормальная» зона, где встречались многие виды лишайников. Позднее такие зоны были установлены и в других городах. Численность лишайников и видовое разнообразие резко возрастает с увеличением расстояния от источника загрязнения. Это уникальное свойство лишайников используется для общей оценки степени загрязненности окружающей среды, особенно воздуха. На этой основе стало развиваться направление - лихеноиндикация. Лихеноиндикация - это использование лишайников в качестве биоиндикаторов загрязненности атмосферного воздуха, основанное на изучении состава и биологических особенностей лишайников. Высокая чувствительность лишайников к загрязнениям вызвана тем, что взаимодействие его компонентов легко нарушить. Самыми требовательными к чистоте являются кустистые лишайники, менее требовательными - листоватые. Некоторые виды накипных лишайников нашего края, такие как Ксантория, совсем не требовательны и часто растут на деревьях вдоль дорог.

3.Глава 2. Практическая часть.

3.1 Методы исследования

В ходе работы над проектом были использованы следующие методы: описание, наблюдение, сбор, сравнение, анализ.

В 2023-2024 г.г. в рамках нашей исследовательской работы «Изучение лишайников и их роли в природе» мы изучили виды лишайников, способы их размножения, а также провели эксперимент по выращиваю лишайников в лабораторных условиях в трех средах вода, молоко, специализированный раствор Корневин. По результатам данного эксперимента сделан вывод, что лишайники возможно выращивать в лабораторных условиях. Наиболее подходящая среда для выращивания лишайников - молочная. Мы решили продолжить наше исследование и с помощью лишайников проверить загрязненность воздуха в г.о. Ступино. Были изучены свойства лишайников, которые чаще всего встречаются в нашей местности. Наш городской округ славится большим количеством леса, который в трех местах пересекает трасса М4. При прокладывании маршрута были выбраны участки леса, расположенные на разных расстояниях от трассы. Мы осуществили выход в 20 точек и наблюдали за состоянием лишайников на стволах деревьях. В 10 точках мы использовали «метод палетки» (не включает в себя отбор образцов лишайников и дальнейшее исследование содержания элементов в талломах лишайников, т.е. без применения лабораторных методов) [12].

Определение степени покрытия ствола лишайниками проводилось летом и в начале ноября 2024 г. в сухую погоду (Приложение 5). Принцип исследования основан на использовании соотношения проективного покрытия ствола дерева лишайниками, суммарного количества видов лишайников и лишайников доминантного вида.

Были установлены наиболее распространены виды лишайников:

1.Ксантория постенная (лат. Xanthoria parietina), Ксантория элегантная, Ксантория желтая. Накипной лишайник.

2.Парме́лия боро́здчатая (лат. Parmélia sulcáta) - вид лишайников рода Пармелия (Parmelia) семейства Пармелиевые (Parmeliaceae). Листоватый лишайник.

3. Редко встречающийся вид, обнаружен только далеко от города:

Кладония уродливая (лат. Cladonia portentosa) - кустистый лишайник (Приложение 4).

Для проведения проективного покрытия ствола дерева лишайниками нам потребовались следующие материалы и оборудование:

- прозрачная палетка 20х20 см, линейка, ручка, блокнот, калькулятор;

- атлас-определитель лишайников[15]

Ход эксперимента/наблюдения:

1) Из прозрачного плотного полиэтилена изготовили специальное приспособление - палетку в виде квадрата 20х20 см, поделенного на мелкие квадраты 2х2 см;

2) Выбрали 10 участков для обследования в г.о. Ступино, включающих по 10 деревьев одного вида на расстоянии 5-10 м друг от друга (деревья примерного возраста и размера и не имеют повреждений)

3) Подсчитали количество лишайников всех видов, а также количество лишайников доминирующего вида.

4) В местах обследования приложили палетку плотно к стволу каждого из деревьев на высоте примерно на высоте 0,3 -1,3 м. Подсчитали количество квадратов с лишайниками;

5)Подсчитали количество всех видов лишайников под прозрачной сеткой.

6) Подсчитали степень покрытия лишайниками стволов деревьев в процентах.

7) Полученные данные записали в блокнот для дальнейшего анализа.

8) После получения данных приступили к расчету.

Полученные данные внесли в таблицу оценки качества воздуха по проективному покрытию лишайниками стволов деревьев по каждому объекту Таблица 1. Результаты исследования

Таблица 2. Шкала качества воздуха по проективному покрытию лишайниками стволов деревьев [14]

Таблица «Встречаемость видов лишайников на участках исследования»

Таблица 3. «Степень загрязнения воздуха на участках исследования»

Накипные - самые неприхотливые лишайники к условиям внешней окружающей среды. Выживают при среднем загрязнении атмосферы. Листовые лишайники более прихотливы. Многие формы живут при загрязнении воздуха. Кустистые самые прихотливые, так как у них наиболее сложное с точки зрения морфологии строение. Могут жить только в чистом воздухе. В нашем районе встречаются крайне редко и только в самых отдалённых от трассы и города местах. Анализируя данную таблицу, можно сказать, что состояния атмосферы города Ступино не удовлетворительное.

3.2. Результаты и обсуждения.

В ходе работы было исследовано методом палетки 10 точек в г.о. Ступино Московской области, расположенных в различной степени удаленности от источника загрязнения (трасса М4) в т.ч: участок территории вблизи МБОУ СОШ № 9, территория парка, участок территории вблизи б/о «Лесное озеро», район городского кладбища, родник в вблизи б/о Сосновый бор, территория 1-й подъем у реки Ока, территория вблизи кафе «Речной причал» рядом с трассой М4. Были составлены таблицы, обработаны данные, проведён их анализ и сделаны выводы. Результат исследования показывает наличие загрязненности в атмосферном воздухе нашего района.

Приложение 6 (карта исследования)

3.3. Выводы

1. Лишайники — это симбиотические ассоциации гриба, одноклеточных водорослей или цианобактерий. Гриб - обеспечивает водоросль водой и минеральными солями. Взамен гриб получает от водоросли - созданные в процессе фотосинтеза органические вещества. У лишайников не осуществляется выброс вредных веществ через поверхность тела.

2. Лишайники играют важную роль в экосистемах, улучшая почву, защищая от эрозии и предоставляя пищу для животных. Лишайники можно использовать в экологическом мониторинге воздуха благодаря высокой чувствительности к химическим загрязнителям.

3.Установлена определённая зависимость распространения кустистых и листоватых лишайников от расстояния до трассы и городских предприятий.

В лесном массиве, расположенном вблизи города или автотрассы, наблюдается резкое уменьшение количества видов лишайников и процент покрытия ими деревьев, пропадают кустистые виды. Остаются накипные и листоватые лишайники, способные выдерживать загрязнённую атмосферу.

4.Исследование показало, что наш район входит в зоны умеренного и сильного загрязнения воздуха.

Заключение

В данной исследовательской работе изучены лишайники, произрастающие в Ступинском районе. Установлена определённая зависимость распространения лишайников в зависимости от расстояния лесного массива до загруженной автомобильной трассы и городских предприятий.

Работа будет продолжена. Не установлено, как влияют предприятия, расположенные в районе на распространение лишайников. Была обнаружена аномальная зона «лишайниковой пустыни» в лесопарке города, в которой совсем нет лишайников. Будет интересно разгадать загадку этого места.

4.Список литературы

1. «Биология», Москва, Издательский центр «Вентана-Граф», 2018, 66 с.

2. «Водоросли и лишайники» том 3, под редакцией профессора М.М. Голлербаха, Москва, «Просвещение», 1977

3. «Лишайники» статья с сайта, https://foxford.ru/wiki/biologiya/lishayniki

4. «Лишайники», Материал из Википедии — свободной энциклопедии https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D1%88%D0%B0%D0%B9%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8

5. «Лишайники», А. Н. Окснер // Куна — Ломами. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 14).

6. «Лишайники – биоиндикаторы атмосферного загрязнения». Романова Е.В., Седельникова Н.В. Новосибирск: Гео, 2010. 98 с

7. «Лишайник: жизнь, смерть, рабство, еда» - Российская газета (rg.ru) https://rg.ru/2017/02/09/lishajnik-zhizn-smert-rabstvo-eda.html

8. «Лишайники и их изучение» https://cyberleninka.ru/article/n/lishayniki-i-ih-izuchenie/viewer

9. Сайт Администрации г.о. Ступино https://stupinoadm.ru/gorodskoj-okrug/obshhie-svedeniya/geografiya/?ysclid=m3r60u8bl341349129

10. Сайт Администрации г.о. Ступино Экология https://stupinoadm.ru/gorodskoj-okrug/ekologiya/?ysclid=m3re7rn35f595265663

11. И.А. Цверианашвили Рутгер Сернандер «Вехи научной и общественной деятельности https://cyberleninka.ru/article/n/rutger-sernander-1866-1944-vehi-nauchnoy-i-obschestvennoy-deyatelnosti

12. Методика определения степени загрязнения воздуха с помощью лишайников

13. Википедия Лихеноиндикация https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D1%88%D0%B0%D0%B9%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8#%D0%9B%D0%B8%D1%85%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%B8%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F

14. Методы биоиндикации. Лабораторная работа 1. Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха с помощью лишайников chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/http://www.geol.vsu.ru/ecology/ForStudents/4Graduate/Bioindicating/Lab01.pdf 15. «Мхи и лишайники. Определитель и руководство к сбору и хранению». А.А. Еленкин, Библиотека журнала «В мастерской природы», Ленинград, научное книгоиздательство, 1930 г.

П
риложение 1. Строение лишайников

Приложение 2. Виды лишайников

Приложение 3. Значение лишайников в природе

Лишайники –кормовая база для северных оленей

Приложение 4. Лишайники, обнаруженные нами в Подмосковье:

Parmelia sulcata Ксантория Ксантория Ксантория

род Пармелия элегантная настенная жёлтая

Парме́лия боро́здчатая (лат. Xanthoria parietina)

(лат. Parmélia sulcáta)

Кладония уродливая (лат. Cladonia portentosa)

Приложение 5. Определение степени покрытия ствола лишайниками (Фото)

Приложение 6.

Карта исследования местности