XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение экофона приземных слоёв атмосферы по листовому опаду

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шварцкопф П.Р. 1

---

1МАОУ "ООШ №28"

Полевая И.И. 1

---

1МАОУ "ООШ №28"

Работа в формате PDF

916.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Среди различных факторов внешней среды, влияющих на здоровье населения, особую роль играет загрязнение атмосферного воздуха. Большое внимание в формировании экологически благоприятного фона необходимо уделить ближайшему окружению в детских учреждениях: образовательных, воспитательных и других для поддержания и сохранения здоровья подрастающего поколения. Эта проблема всегда остаётся актуальной.

Наиболее чувствительный к токсическим вещества в атмосфере является организм маленького человека. Приземные слои атмосферы в зонах хозяйственной деятельности общества насыщены продуктами сгорания топлива, оксидом углерода, диоксидом азота и серы, бензолом. Также в список включили взвешенные частицы и по последним открытиям учёных биогенные постоянные свободные радикалы, механизмы образования и воздействия на человека ещё недостаточно изучены.

Для оценки состояния природной среды используются различные биоиндикационные методы. В качестве биоиндикатора нами была выбрана опавшая листва, так как на территории любого детского учреждения этот материал доступен и позволяет изучить экофон приземных слоёв атмосферы.

Ссылаясь на информацию, почерпнутую нами из литературных источников, мы выдвинули гипотезу: листовой опад может выступать в роли биоиндикатора, реагирующего на изменение состояния атмосферного воздуха.

Для проверки гипотезы сформулировали цель: установить степень загрязненности приземного слоя атмосферы участков дошкольных детских учреждений по листовому опаду.

Объект исследования: территории участков детских садов близких микрорайонов, имеющих различное расположение относительно дорог и испытывающих неодинаковое антропогенное воздействие

Предмет исследования: экологическое состояние воздуха на данных территориях по фитотоксичности листового опада.

В соответствии с целью, объектом и предметом исследования сформулированы следующие задачи:

1. Изучить литературные источники по теме исследования

2. Установить степень загрязнения приземных слоёв атмосферы на участках детских садов

3. Провести сравнительный анализ фитотоксичности листьев разных пород деревьев, широко используемых при озеленении улиц города.

4. По итогам исследования сделать вывод о практической значимости полученных результатов.

Методы исследования: 1. Библиографический. 2. Экспериментальный. 3. Биоиндикация и биотестирование. 4. Наблюдение. 5. Методы статистической и графической обработки результатов.

1. Основная теоретическая часть. Обзор литературных источников.

   1. Основные источники загрязнения атмосферы

Информацию об основных источниках загрязнения воздушного пространства мы почерпнули из ряда источников: учебного пособия В. В. Пасечника «Экология» [3], словаря - справочника Ю. В. Новикова «Природопользование» [4], сайта Экологического центра «Экосистема» [9].

Воздух должен иметь определённую чистоту, любое отклонение от нормы отражается на состоянии живых организмов. Существует два основных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный. Деятельность человека по своим масштабам намного превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.

В настоящее время автомобильный транспорт является главным источником загрязнения атмосферного воздуха. Загрязнение происходит по нескольким направлениям: отработанные выхлопные газы, испарение топлива, пыль, образующаяся при стирании шин и потока воздуха.

Автомобили, находящиеся на различных типах парковок, выбрасывают вредные вещества, оказывающие крайне негативное влияние на жителей ближайших районов. Так на перехватывающих парковках эти выбросы достигают больших значений вследствие того, что на данном типе автостоянок находится 100 и более автомобилей в сутки.

Страдают в первую очередь зеленые насаждения и обитатели почвы, в которой эти выбросы накапливаются. На листьях деревьев и кустарников, растущих вдоль дорог, оседает до 72% взвешенных частиц пыли и до 60% диоксида серы [4]. Зеленые насаждения в значительной мере регулируют микроклимат города, снижают городской шум, очищают воздух от взвешенных в нем жидких и твердых частиц (аэрозолей). Например, сернистый газ хорошо поглощается листьями тополя, липы, клена, конского каштана, фенолы - сирени, шелковицы, бузины [6]. Атмосфера обладает способностью к самоочищению, но в современных условиях высокой антропогенной нагрузки возможности природных систем самоочищения подорваны [9].

1.2. Биоиндикация как исследовательский метод

1.2.1 Биоиндикация и биотестирование.

Ряд ученых - Т.Я. Ашихмина [1], Н.Ф. Реймерс [5], Е.А. Тимофеева [6] рекомендуют использовать в качестве метода мониторинга биоиндикацию

Согласно определению Н.Ф. Реймерса [5]: «Биоиндикатор- это группа особей одного вида или сообщество, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей».

Живыми индикаторами – показателями загрязнения воздуха являются деревья, которые накапливают в листьях различные вещества – загрязнители. Использование в качестве объекта биоиндикации листового опада менее известно, несмотря на повсеместное его распространение [1].

Биотестирование и биоиндикация – это два важных исследовательских метода, при которых о качестве среды судят по выживаемости, физиологическим процессам, продуктивности, поведению живых организмов. Биотестирование подразумевает использование живых организмов в лабораторных условиях, специально помещаемых в данную среду. При биоиндикации для этих целей используют организмы, непосредственно обитающие в исследуемой среде.

Живой организм, по реакциям которого судят о качестве среды, называют еще тест-объектом [6]. В связи с этим в своей работе мы использовали методику определения загрязненности воздуха по фитотоксичности листового опада, взяв его в качестве субстрата для выращивания растений. В качестве тест – объекта использовали кресс-салат [1]. Таким образом, в наших исследованиях произошло параллельное использование методов биоиндикации и биотестирования. Листья взяты из природы, фитотоксичность они приобрели в окружающей среде, ее влияние на развитие кресс-салата мы рассматриваем в лабораторных условиях.

1.2.2 Накапливающие биоиндикаторы

Листовой опад относится к группе аккумулятивных биоиндикаторов, т.е накапливающих.

Накапливающие индикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определённых органах и частях тела, которые затем используются для определения степени загрязнения окружающей среды при помощи химического анализа. Примером подобных индикаторов является листовой опад.

1.3. Аллелопатическая активность листового опада

Понятие аллелопатии – воздействия одних растений на развитие других в доступной форме раскрыто в «Биологическом энциклопедическом словаре» [2].

Исследуя источники информации, мы выявили, что максимальную аллелопатическую активность по сравнению с другими органами растений имеют листья. Это обусловлено высоким уровнем их обмена веществ и аккумуляцией различных веществ в процессе вегетации [1; 7]. В стареющих листьях в процессе подготовки к листопаду происходит накопление соединений, прежде всего фенольных производных, обладающих свойствами природных ингибиторов. В связи с этим можно говорить о влиянии листового опада на прорастание семян и развитие проростков различных растений, в том числе кресс-салата, т.е. об аллелопатии.

1.4 Биогенные постоянные свободные радикалы листового опада.

Под слоем ярких листьев может скрываться потенциальная угроза для здоровья человека и окружающей среды. Речь идет о так называемых биогенных постоянных свободных радикалах (BPFR), которые образуются в растительных организмах и сохраняются в опавших листьях.

Свободные радикалы — это нестабильные молекулы, которые имеют неспаренный электрон на внешнем уровне. Они способны реагировать с другими молекулами, вызывая окислительный стресс и повреждая клетки. Свободные радикалы образуются в организме человека в результате различных процессов, таких как дыхание, пищеварение, физическая активность и т. д. Они также поступают извне с пищей, водой, воздухом и другими факторами. В небольших количествах свободные радикалы необходимы для нормального функционирования организма, так как они участвуют в регуляции иммунной системы, сигнальных путей и генной экспрессии. Однако при избытке свободных радикалов возникает дисбаланс между ними и антиоксидантами — веществами, которые нейтрализуют свободные радикалы и предотвращают их негативное влияние. Такой дисбаланс может привести к развитию различных заболеваний, таких как рак, сердечно-сосудистые заболевания, диабет, аллергии, старение и др.

PFR способны проникать в клетки живых организмов и вызывать окислительный стресс, повреждение ДНК, мутации, апоптоз и т. д. PFR считаются одними из самых опасных загрязнителей окружающей среды, которые могут наносить серьезный вред здоровью человека и экосистемы.

Кроме того, учёные установили антиоксидантную активность листового опада в зависимости от загрязнения. Накопление в листьях компонентов выхлопных газов приводит к снижению активности окислительно-восстановительных ферментов и антиоксидантной активности [9]

2. Исследовательская часть

2.1 Определение чистоты воздуха с использованием листового опада.

2.1.1 Материал и участки исследования

Как указано в научной литературе, состав листового опада зависит от видовой принадлежности растений, условий их произрастания, включая антропогенный фактор. Это легло в основу наших исследований.

Характеристика растительного материала

1. Осина обыкновенная - Populus tremula

Семейство: Ивовые - Salicaceae.

Род: Тополь- Populus

Жизненная форма растения: дерево

Распространение: широко распространена в районах с умеренным и холодным климатом.

Оформление таким деревом различных озеленяемых участков, в том числе парков и скверов в городах, оказывается вполне разумно. Растет она быстро, что очень важно для озеленения больших территорий. Даже сильная загазованность, создаваемая автомобилями и промышленностью, не станет преградой для выращивания этого дерева.

2. Берёза бородавчатая - Betulaverrucosa.

Семейство Берёзовые –Betulaceae

Род – Берёза – Betula

Жизненная форма: дерево

Распространение: широко распространена в районах с умеренным и холодным климатом.

Высаживают эту породу деревьев с целью снижения шума, защиты от пыли и проработанных газов в городе вдоль автотранспортных трасс, организуя предохранительные зеленые полосы. Они дают возможность усовершенствовать санитарно-гигиеничную ситуацию на улицах городов

Для изучения экологического состояния приземного слоя атмосферы в городе Краснотурьинск были выбраны 3 участка исследованиятерритории при ДОУ (дошкольных образовательных учреждениях) микрорайона Заречный и 42 квартала, расположенных недалеко друг от друга.

Участки исследования

Участок №1 Дошкольное образовательное учреждение (детский сад №32 «Рябинушка») расположен по адресу ул. Рюмина д 26. Учреждение находится во дворе жилого квартала, расположено на удалении от транспортной дороги.На территории участка дошкольного учреждения есть защитная зелёная полоса, в состав которой входит берёза, осина, рябина, сирень, яблоня.

Участок №2 Дошкольное образовательное учреждение (детский сад №19 «Алёнушка») расположен по адресу ул. Рюмина д.3 во дворе. Рядом с учреждением расположена стоянка автомобилей жителей окрестных домов и трасса ул. Рюмина в 100 м.

Участок №3 Дошкольное образовательное учреждение (детский сад №26 (при школе №28) «Колокольчик» расположен по адресу Краснотурьинскаяд.1 в 30 м от дороги. Дорога закрыта от ДОУ защитной зелёной полосой, в состав которой входит берёза, осина, рябина, сирень, яблоня, кустарники акации.

Для взятия проб была выбрана территория, где две исследуемые породы произрастают на одном участке и взяты из точек соседних микрорайонов. Следовательно, влияние почвообразующих пород и климатических условий не учитывается. Собранные листья помещались в пронумерованные пакеты.

2.1.2 Методика исследования:

Исследование проведено по методике Т. Я. Ашихминой [1]

Подготовительный этап работы

1. Осенью произвели забор проб листового опада березы бородавчатой, и осины обыкновенной, на трех участках исследуемой территории

2. Пробы листового опада измельчили (каждый отдельно по видовой принадлежности), поместили в отдельные пронумерованные пакеты с указанием участка сбора и вида дерева

Экспериментальная часть

Цель: установить методом биотестирования экофон приземных слоёв атмосферы в точках исследования с разной транспортной нагрузкой.

1. 1 г молотого листового опада из 3 точек поместили в пронумерованные чашки Петри в такой последовательности:

2. Опад залили 25 мл дистиллированной воды, накрыли фильтровальной бумагой

3. Отсчитали по 20 семян кресс-салата (Т. Я. Ашихмина рекомендует 10 семян [1]). Мы посчитали, что чем больше семян, тем выше результативность. Поместили их в чашки Петри, накрыли файловыми пакетами и поместили подальше от прямого солнечного света.

4. По методике Ашихминой [1] в качестве контроля (чашка «К») использовали артезианскую воду - водопроводную, так как у нас в городе водоснабжение осуществляется из артезианских скважин.

5. На 3 и 5 день фиксировали число проросших семян, на 5 день – длину корешков и наличие проростков по каждому виду листового опада.

6. Эксперимент проводили с применением 3 повторностей

7. Данные заносили в сводную таблицу.

8. Высчитали средний результат по точкам исследования. Определили процент всхожести семян на разных площадках по следующей формуле:

V= N_{проросш. (5)}/ N_общее

9. Вычислили коэффициент К, равный отношению всхожести семян в контроле к всхожести семян в пробе.

К = V_К / V_П

К – коэффициент загрязнения экофона; V_К– всхожесть семян в контроле, V_П – всхожесть семян в пробе

10. По таблице 1 провели ранжирование, сделав вывод о состоянии приземного слоя атмосферы в исследуемых точках.

2.1.3 Определение антиоксидантной активности листового опада с помощью перманганатометрии

Цель: проверить уровень антиоксидантной активности листового опада берёзы и осины на исследуемых участках.

1. 1г молотого опада каждой породы деревьев с исследуемых участков заливали отстойной водой и настаивали в течении суток.

2. Приготовленные растворы титровали 1% раствором перманганата калия и количественно определяли объём необходимый для обесцвечивания раствора окислителя KMnO4

3. По результатам титрования анализировали состояние окружающей среды на участке.

2.2 Результаты исследования и их обсуждение

Результаты проращивания семян кресс-салата на контрольных участках на субстрате из опавших листьев осины (сводная таблица) (20 штук)

Таблица 2

Результаты проращивания семян кресс-салата на контрольных участках на субстрате из опавших листьев берёзы (сводная таблица)(20 штук)

Таблица 3

Средние результаты биоиндикации

Таблица 4

Выводы:

1. Анализ данных таблиц показывает, что всхожесть и развитие семян кресс-салата на субстратах из опавших листьев, взятых в точках с разной транспортной нагрузкой, различаются.

2. Наиболее низкие показатели отмечаются на участке 2 (территория при ДОУ №19 «Алёнушка»), где частный автотранспорт паркуется возле жилых домов, окружающих учреждение. Здесь процент всхожести семян на листовом опаде из осины и берёзы составляет 40 и 25 соответственно).

3. На территории, прилегающей к ДОУ №32 детский сад «Рябинушка» имеет наилучшие показатели. Как уже было отмечено, учреждение находится во дворе жилого квартала, расположено на удалении от транспортной дороги. Частных парковок поблизости нет. Здесь отмечена гораздо более высокая всхожесть семян 65 и 50% соответственно на листовых опадах осины и берёзы.

4. Третий участок ДОУ №26 (при школе №28) детский сад «Колокольчик» характеризуется средними показателями. Расположение территории достаточно близко к дороге, но здание и территория расположены торцевой частью к ней и дорога закрыта от ДОУ защитной зелёной полосой, в состав которой входит берёза, осина, рябина, сирень, яблоня, кустарники акации. Процент всхожести на листовом опаде осины и берёзы здесь 55 и 35 соответственно.

При проращивании семян учитывали длину корешков и проростков

Диаграмма 1

Выводы

1. Результаты эксперимента говорят о том, что вытяжка из листьев деревьев разных пород обладает различной фитотоксичностью.

2. Берёза обладает большей поглотительной способностью, поэтому процент всхожести и параметры проростков уступают аналогичным характеристикам у осины на всех участках исследования.

Показатели, определяющие загрязнение приземных слоёв атмосферы

Таблица 5

Участки исследования	Коэффициент	V (%)	Состояние атмосферы
ДОУ №32	1,6	58	Слабая степень загрязнения
ДОУ №19	3	33	Средняя степень загрязнения
ДОУ №26	2	45	Средняя степень загрязнения

Выводы:

1. Состояние приземных слоёв атмосферы можно оценить по коэффициенту всхожести тест-объекта (в нашем случае семян кресс-салата).

2. Из исследуемых территорий одна (ДОУ №32, участок 1) имеет слабую степень загрязнения атмосферы, две другие – среднюю степень (участок №3 ДОУ №26. участок №2 ДОУ №19)

Результаты титрования

Таблица 6

Участок	Осина		Берёза
	Средний объём раствора для титрования (мл)	визуальный эффект (цвет раствора)	Средний объём раствора для титрования (мл)	визуальный эффект (цвет раствора)
1. д/с №32	1	бурый	2	бурый
2. д/с №19	2	бурый	4	бурый
3. д/с №26	1	бурый	2	бурый

Выводы

1. Антиоксидантная активность листового опада проявилась на всех исследуемых участках

2. Самая низкий показатель зафиксирован на участке 2 (д/с №19)

3. Уровень загрязнения атмосферы не территории этого участка выше, чем на других. (Приложение 4).

Заключение. Выводы

Листовой опад может накапливать химические элементы, которые не безопасны для живых организмов, в том числе, и человека.

Элементы, накопленные растением в процессе жизнедеятельности, возвращаются в биологический круговорот вместе с опадом и попадают в тела живых организмов, передаваясь по цепям питания.

1. Проведенный эксперимент доказал, что листья деревьев являются мощными аккумуляторами загрязнителей атмосферы.

2. Выявили, что наименьшей фитотоксичностью обладает листовой опад осины обыкновенной, более высокой - березы бородавчатой. Именно этот вид деревьев следует использовать для озеленения улиц с целью очищения воздуха от вредных веществ. Но осина обладает высокой газоустойчивостью, поэтому она тоже заслуженно включена в наиболее распространённые виды зелёной зоны городов.

3. Методом биотестирования установили, что не только транспортный поток на городской улице увеличивает количество токсичных веществ в листовом опаде аккумулированных из окружающей среды, но и массово паркующиеся машины, газующие возле детских садов, расположенных во дворах. Этот участок в нашем исследовании имел самое высокое загрязнение экофона, а следующий по уровню загрязнения был участок, расположенный вдоль автодороги.

4. Гипотеза о том, что листовой опад может выступать в роли биоиндикатора, реагирующего на изменение качества атмосферного воздуха, подтвердилась.

5. Проверить загрязнение воздуха можно с помощью определения антиоксидантной активности листового опада. Эти исследования подтвердили предыдущие.

Список литературы

1. Ашихмина Т. Я. Экологический мониторинг: учебно-методическое пособие. - Киров: ООО «Типография «Старая Вятка», 2012. – 95 с.

2.Биологический энциклопедический словарь. Гл. ред. М. С. Гиляров. - М.: Сов. энциклопедия, 1986. - 831с.

3. Криксунов Е.А. Пасечник В.В. Экология. 10 (11) класс: учеб. для общеобраз. учреждений. -11 изд.- М.: Дрофа, 2015. – с. 251

4. Новиков Ю. В. Природа и человек. - М.: Просвещение, 1991.- 223 с.

5. Реймерс Н. Ф. Природопользование. - М.: Мысль, 1990. - 637 с.

6. Тимофеева Е. А. Состав водных вытяжек опада различных древесных пород. - М.: МГУ, 2018. - 29 с.

7. Крылова Е. Г., Гарин Э. В. Оценка аллелопатического влияния листового опада на начальные этапы онтогенеза частухи подорожниковой // Научное обозрение. Биологические науки. - 2019.-№1.-41-45с. URL: https://science-biology.ru (дата обращения 23.10. 20247)

8. Тихонова Н.А. Мульча, перегной и земля из листьев. URL: https:// www.gardening.hittens. - wordl. ru (дата обращения 24.10. 2020)

9. Экологический центр «Экосистема». URL: https:// www.ecosystema. ru (дата обращения 05.11. 2024)

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Участки исследования

Закладка опыта

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

В чашках слева результаты проращивания семян кресс-салата на вытяжке из осины, справа – берёзы. Верхнее фото участок 1, ниже – участок 2, и последнее – участок 3.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Результаты перманганатометрии