III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЭПИДЕРМАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС БЕРЕЗЫ БОРОДАВЧАТОЙ (ВЕTULA VERRUCOSA) В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Крохалева В.К. 1

---

1

Хайрутдинова Р.З. 1

---

1

Работа в формате PDF

799.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

 Введение

В настоящее время большое внимание уделяется изучению взаимоотношений между организмами и средой. В результате хозяйственной деятельности человека усиливается влияние на растения неблагоприятных условий, поэтому в промышленных районах они выполняют немаловажную службу – являются своеобразным средством информации о загрязнении окружающей среды. Идея об использовании растений для оценки качества окружающей среды лежит в основе одного из направлений современного биомониторинга.

Растения обладают большим разнообразием продуктов обмена веществ, играющих роль адаптеров при изменяющихся условиях обитания, так как будучи укорененными в земле, они лишены возможности передвигаться и должны реагировать на возникающее дискомфортное состояние по-другому, нежели животные. Общее свойство растений – толерантность – это способность сохранять жизнедеятельность при неблагоприятных условиях.

Установлено, что от концентрации различных химических элементов зависят многие морфологические и физиологические особенности растений.

Изучение влияния тяжелых металлов на растения дает возможность судить о состоянии чистоты и загрязненности участка и принимать соответствующие природоохранные меры.

В связи с этим целью настоящей работы является определить реакцию эпидермального комплекса Betulaverrucosaв условиях загрязнения среды тяжелыми металлами.

Для достижения поставленной цели решались следующиезадачи:

1. проанализировать литературу по выбранной теме;

2. подобрать методы исследования;

3. изучить влияние загрязнения атмосферной среды на эпидерму березы бородавчатой;

4. определить реакцию эпидермального комплекса при загрязнении почв тяжелыми металлами;

5. определить более значимый параметр, по которому будет определяться степень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Объектом данного исследования была выбрана береза бородавчатая (Betulaverrucosa).

Известно, что эпидерма листа является защитно-регуляторной системой периферической сферы всего растения, и на изменения окружающей среды будет реагировать, в первую очередь, именно она. Поэтому предметом данного исследования была выбрана эпидермальная ткань данного растения.

При анализе литературы была выдвинута следующая гипотеза: количество функциональных элементов эпидермальной ткани листа (собственно эпидермальных клеток и устьиц) тем меньше, чем выше степень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Практическая значимость. Полученные в работе данные могут быть рекомендованы для определения степени загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

1. Обзор литературы.

   1. Особенности строения и функционирования эпидермальной ткани растений.

Эпидерма является сложной первичной покровной тканью. Она состоит из нескольких типов клеток: собственно эпидермальных, околоустьичных и замыкающих клеток устьица и трихом (рис.1).

Рис. 1. Эпидерма листа.

Эпидермальная ткань может иметь различные выросты: трихомы, эмергенцы, выполняющие защитную, выделительную и некоторые другие функции. В зависимости от условий местообитания растения устьица могут быть локализованы как на нижней, так и на верхней стороне листовой пластинки. Устьица представляют собой высокоспециализированные образования эпидермы, состоящие из двух замыкающих клеток бобовидной формы и устьичной щели (своеобразного межклетника между ними). (Чебышев, 2007).

Устьичный аппарат регулирует процессы газообмена и транспирации растений. Замыкающие клетки могут смещаться, изменять объем и форму, в результате чего меняется и очертание устьичной щели: она может быть более или менее широко открыта или же вовсе закрыта. Открывание и закрывание устьиц обусловливается тургорными явлениями. Изменения тургора замыкающих клеток могут быть непосредственным следствием подвядания листа или повышения в нем содержания воды. При повышении тургора замыкающих клеток объем их клеточной полости увеличивается, в результате чего стенки отдаляются одна от другой и щель открывается. При понижении тургора замыкающих клеток происходят изменения обратного рода: стенки сближаются до соприкосновения и щель устьица замыкается.

Число и распределение устьиц очень варьирует в зависимости от вида растения и условий жизни.

Эпидерма развивается очень рано, еще в процессе внутрипочечного развития листа (Лотова, 2007).

В учебнике Е. И. Барабанова отмечается, что клетки эпидермы плотно сомкнуты между собой; благодаря этому эпидерма многофункциональна:

1. препятствует повреждению внутренних тканей;

2. регулирует газообмен и транспирацию;

3. ткань принимает участие в синтезе различных веществ, в восприятии раздражений и движении листьев.

1.  

   1. Влияние соединений некоторых тяжелых металлов на морфологические и физиологические особенности растений.

Тяжелые металлы – группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см³. Для их биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, т.е. считать тяжелыми металлы с относительной массой более 40. К тяжелым металлам отнесена группа элементов, имеющих большое биохимическое и физиологическое значение. Это так называемые микроэлементы – медь (Cu), цинк (Zn), молибден (Mo), кобальт (Co), марганец (Mn).

Известно, что при аэротехногенном загрязнении природной среды тяжелыми металлами возможны два основных пути их поступления в растения: 1) из атмосферы – через листовую поверхность и 2) из почвы – через корневую систему.Поглощение металлов корнями может быть пассивным (неметаболическим) и активным (метаболическим): - пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из почвенного раствора в эндодерму корней; - при активном поглощении необходимы затраты энергии метаболических процессов, и оно направлено против химических ингредиентов (Полевой, 1989).

В ряде работ рассматриваются приспособительные реакции организменного уровня, основанные на комплексе метаболических механизмов защиты и коррекции физиологических процессов (Алексеев, 1987; Барсукова, 1997; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Титов и др., 2007).

Так при высоком содержании меди в почве наблюдается крайняя степень карликовости.

Высоким содержанием меди отличаются листья, а цинк в основном концентрируется в семенах.

Свинец относительно слабо поглощается растениями. Скорость поглощения свинца растениями увеличивается при подкислении почвы и при увеличении температуры. Избыток свинца в растениях ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, вследствие чего не только снижается урожайность растений, но и резко ухудшается качество продукции.

Повышенные концентрации кадмия в корнеобитаемой среде вызывают у растений замедление роста и развития. Кроме того, кадмий тормозит фотосинтез, нарушает транспирацию и фиксацию CO₂. При обычных концентрациях в почвенном растворе поглощение тяжелых металлов корнями растений контролируется метаболическими процессами внутри корней. При высоких концентрациях тяжелых металлов в почвенном растворе в транспорте их к корням растений преобладающую роль играет диффузия. Различные виды растений в значительной степени различаются по способности поглощать тяжелые металлы.

Высшие растения меньше накапливают тяжелые металлы и менее устойчивы к повышенным концентрациям, чем низшие.

Разнообразны и анатомические исследования эпидермы с целью определения приспособительной реакции к окружающей среде.

В условиях загрязнения, у большинства видов, уменьшаются размеры устьиц и основных эпидермальных клеток, возрастает их количество на единицу площади. У других видов происходит сокращение числа устьиц и их размеров. Это свидетельствует о различных путях адаптации видов к неблагоприятным факторам среды (Довбыш, 1984).

Формирование устьиц происходит последовательно и осуществляется в течение значительного периода роста и развития листа (Эсау, 1969). Формирование определенной плотности устьиц на единицу поверхности листа связано прежде всего с обеспечением и регулированием газообмена и транспирации, направленных на оптимальную продуктивность фотосинтеза растений в данных условиях. Адаптации растений в этом отношении имеют видовую специфику (Гетко, 1989; Кулагин, 1988).

Обнаружена статистически достоверная связь между газоустойчивостью растений и числом устьиц на 1 мм² поверхности листьев (Николаевский, 1963). Выявлено, что в условиях загрязненной атмосферы у менее толерантных растений число устьиц увеличивается по сравнению с контролем, а у более толерантных уменьшается (Смирнов, 1986).

Отмечаемая в ряде случаев повышенная плотность размещения устьиц на листовой пластинке и уменьшенные их размеры являются следствием торможения роста клеток, вызванного неблагоприятными условиями, в том числе повышенной задымленностью воздуха (Илькун, 1978).

В то же время в ряде работ (Кротова, 1959; Казанцева, 1965) высказывалось сомнение о роли устьиц и интенсивности газообмена в газоустойчивости.

Исследования на медеплавильных комбинатах (Николаевский, 1963) показали, что у устойчивых видов растений не только более мелкие устьица, но и меньшая степень их раскрытия в течение дня; здесь же обнаружено, что под влиянием кислых газов степень раскрытия устьиц в течение дня уменьшается.

1. Материал и методы исследования.

   1. Краткая характеристика территории.

Исследования проводились на территории г. Верхняя Пышма Свердловской области.

Город Верхняя Пышма расположен на юге Свердловской области, в километре от ее столицы, у истока реки Пышмы. Является городом-спутником Екатеринбурга. Главный город Уральской горно-металлургической компании. Возник в связи с открытием (1854г.) и разработкой (1856г.) месторождения медных руд.

На 1 января 2016 года по численности населения город находился на 237 месте из 1112 городов Российской Федерации, с численностью 67674 человека.

Что касается экологического состояния, в городе более 10 промышленно-хозяйственных организаций, из них 3 крупных предприятия, оказывающих неблагоприятное воздействие на окружающую природную среду.

Большая часть территории пригорода занята лесами, что способствует поддержанию экологической стабильности климата, гидрогеологического режима, сохранению растительного и животного мира. В то же время ряд природных факторов снижает возможности города для поддержания экологического равновесия. Среди них - низкий уровень водообеспеченности территории, отсутствие крупной речной системы, распространение низкоплодородной почвы, своеобразный режим воздухообмена, обуславливающий "смоговые" ситуации в атмосфере.

Значительная площадь земель загрязнена тяжелыми металлами. Один из наиболее высоких уровней загрязнения почвы выявлен на территории города Верхняя Пышма (96%), в зоне воздействия АО «Уралэлектромедь».

1.  

   1. Характеристика объекта исследования

В качестве объекта исследования была выбрана береза бородавчатая, как наиболее часто встречаемый вид на территории города и пригорода Верхней Пышмы.

Береза бородавчатая – лиственное дерево высотой около 25-30 м. Молодые особи отличаются коричневой корой, которая к 8 годам становится белой. У более старых растений в нижней части ствола образуются трещины, кора приобретает черный окрас. Древесина березы имеет желтовато-белый оттенок, она довольно плотная и тяжелая. Ветки покрыты смолистыми железками - бородавочками, от которых береза получила свое название «бородавчатая».

Листья очередные, длинночерешковые, имеют треугольно-ромбовидную форму, с клинообразным основанием, гладкие, 3,5-7 см длины, 2-5 см ширины. Края листьев двоякозубчатые. Лист березы бородавчатой обладает слабым ароматом и вяжущим вкусом.

Почки сидячие. Цветки мелкие, невзрачные, декоративной ценностью не обладают. Собраны в однополых кистях – сережках: на концах ветвей тычиночные, продолговатой, цилиндрической формы, длиной 6-10 см, желтые; на укороченных боковых ветках – пестичные, цилиндрические, направлены вверх, длиной 2-3 см, зеленые.

Цветет береза бородавчатая с апреля по май.

Плоды – небольшие крылатые орехи, созревают в конце лета - начале осени. Плодоносить начинает с 10 лет, в насаждении – с 20- 25 лет.

Береза бородавчатая активно используется в городских посадках, так как способствуют увеличению уровня ионизации воздуха, и является довольно быстрорастущим, неприхотливым деревом.

1.  

   1. Методы исследования.

Для проведения исследования было заложено пять пробных участков, сходных по экологическим признакам. Предварительные исследования показали, что территории характеризуются одним типом почв (дерново-подзолистый), с кислотностью от 6,2 до 7,5, сходным видовым составом растительности.

Пробы почв брали в поверхностном слое (0-20см.) методом конверта.

Концентрацию металла в почвах определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии после кислотной вытяжки 5% азотной кислотой. Мера токсической нагрузки определялась по концентрации группы тяжелых металлов ( Cu, Zn, Cd, Pb). Суммарная токсическая нагрузка рассчитывалась по формуле:

С_Σ = Σ _Ciкл^Ci , где

Ci – концентрация металла в почве, мкг/г;

Сi_кл.- фоновое содержание металла в почве в регионе.

Одним из решающих методов диагностики и идентификации растений в нецветущем состоянии является их анатомическое исследование (Анели, 1975). В качестве объекта исследований чаще всего используют лист.

Объем использованного материала – 650 листовых пластинок. Для анализа отбирали взрослые, закончившие фазу интенсивного роста листья генеративных особей.

В качестве исследуемых параметров были выбраны количественные характеристики изменения устьиц и эпидермальных клеток с нижней стороны листа. Учет анатомических характеристик эпидермы производился с помощью метода реплик или клиокаст (Таршис Г.И., Таршис Л.Г., 1995). Реплики брали между средней жилкой и краем листовой пластинки, на равном расстоянии от базальной и апикальной частей листа. Подсчет структурных единиц проводили при увеличении 7х40. Данные обработали методами математической статистики.

1. Результаты и обсуждение.

   1. Результаты исследования по определению количества устьиц в кроне березы бородавчатой по сторонам света.

Для окрестностей города характерно преобладание северо-западных ветров. АО «Уралэлектромедь», основной источник выброса в атмосферу соединений тяжелых металлов, расположен на юго-востоке относительно большей части г. Верхняя Пышма.

Для анализа влияния атмосферной среды на количество устьиц в кроне березы бородавчатой были отобраны 400 листовых пластинок, закончившие фазу интенсивного роста, с 5 генеративных особей (Приложение 1).

Точка сбора материала располагается в промышленной зоне АО «Уралэлектромедь», с юго-востока по отношению к предприятию, под воздействием преобладающих северо-западных ветров.

Результаты, полученные при определении количества устьиц в кроне березы бородавчатой по сторонам света, занесены в таблицу 1.

Таблица1. Распределение количества устьиц в кроне по сторонам света.

При анализе табицы1 значимое изменение количества устьиц в кроне березы бородавчатой по сторонам света и влияние розы ветров на этот показатель не обнаружено. Можно предположить, что концентрация тяжелых металлов в атмосферной среде очень лабильна и не оказывает влияния на анатомические изменения эпидермы.

1.  

   1. Концентрация тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd и Pb) и суммарная токсическая нагрузка на контрольных точках.

На территории города Верхняя Пышма были выбраны 5 контрольных точек так, чтобы они находились примерно на одной прямой по отношению к источнику загрязнения (рис. 2).

Рис. 2 Карта г. Верхняя Пышма

Данные (Приложение 2), полученные при исследованиях по определению концентрации металла в почве, занесены в таблицу 2.

Таблица 2. Характеристика выбранных участков по концентрации металлов в почве и суммарной токсической нагрузке.

Анализируя данные таблицы видно, что количество меди в почве содержится значительно больше, чем других тяжелых металлов. Это объясняется специализацией предполагаемого источника загрязнения. АО «Уралэлектромедь» является медеплавильным комбинатом.

Можно предположить, что число устьиц и собственно эпидермальных клеток будет определяться, в первую очередь, концентрацией меди в почве, так как концентрация именно этого металла возможно является лимитирующим фактором.

Суммарная токсическая нагрузка возрастает по мере приближения к предполагаемому источнику загрязнения.

1.  

   1. Результаты исследования зависимости числа устьиц и собственно эпидермальных клеток от суммарной токсической нагрузки почв тяжелыми металлами.

Данные (Приложение 3), полученные при исследованиях по определению числа устьичных и собственно эпидермальных клеток, занесены в таблицу 3.

Табл. 3 Концентрация металлов в почве и число устьичных и собственно эпидермальных клеток на контрольных точках.

По результатам данной таблицы выявлена пропорциональная зависимость количества устьиц от суммарной токсической нагрузки почв тяжелыми металлами. Для собственно эпидермальных клеток такой зависимости не выявлено.

Можно предположить, что растения, произрастающие в зоне максимальной суммарной токсической нагрузки, уменьшают количество устьиц в связи с выполняемой ими функцией - транспирацией, тем самым уменьшая попадание тяжелых металлов во внутрь организма.

Поэтому на наш взгляд количество устьиц более значимый параметр для определения степени загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Заключение.

Антропогенное загрязнение местности обычно захватывает все среды: наземно-воздушную, водную, почвенную и биотическую. Поэтому биоиндикация растений скорее позволяет судить о комплексном загрязнении окружающей среды. Но поскольку скорость самоочищения почв от тяжелых металлов крайне низка, а их концентрация в атмосферной среде лабильна, то можно предположить, что почвенное загрязнение более значимо. А эколого-анатомический метод позволяет глубже понять адаптации растений.

По данному исследованию были сделаны следующие выводы:

1. концентрация тяжелых металлов в атмосферной среде не оказывает влияния на анатомические изменения эпидермы;

2. суммарная токсическая нагрузка почв тяжелыми металлами возрастает по мере приближения к предполагаемому источнику загрязнения;

3. количество меди в почве содержится значительно больше, чем других тяжелых металлов;

4. выявлена пропорциональная зависимость количества устьиц от суммарной токсической нагрузки почв тяжелыми металлами, для собственно эпидермальных клеток такой зависимости не выявлено;

5. количество устьиц более значимый параметр для определения степени загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Гипотеза, выдвинутая при анализе литературы, подтверждена частично. Количество устьиц тем меньше, чем выше степень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, что не характерно для собственно эпидермальных клеток.

Список литературы.

Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. - 142с.

Анели Н.А. Атлас эпидермы листа. – Тбилиси.: Мецниереба, 1975. - 110с.

Барабанов Е.И. Ботаника: учебник для студентов высших учебных заведений/Е.И. Барабанов, С.Г. Зайчикова.-М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 447с.

Барсукова В.С. Физиолого-гегнетические аспекты устойчивости растений к тяжелым металлам: Аналит. обзор. Новосибирск, 1997. - 63с.

Биология: Пособие для поступающих в Вузы. Том 2/Под редакцией Н.В. Чебышева.- М.РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2007. - 289с.

Гетко Н.В.Растения в техногенной среде: Структура и функция ассимиляционного аппарата.– Мн.: Наука и техника, 1989.– 208 с.

Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения.– Киев: Наукова думка, 1978.– 248 с.

Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. - 139с.

Кулагин А.Ю. Ивы: техногенез и проблемы оптимизации нарушенных ландшафтов.– Уфа: Гилем, 1998.– 193 с.

Лотова Л.И. Ботаника: Моорфология и анатомия высших растений: Учебник. Изд. 3-е, испр. – М.: КомКнига, 2007. - 512с.

Николаевский В.С. О показателях газоустойчивости растений // Труды Ин-та биологии УФАН.– 1963.– вып. 31.– с. 31-33.

Полевой В.В. Физиология растений. М.:ВШ, 1989. - 464с.

Скворцов В.Э. Учебный атлас. Флора Средней России. – М.: ЧеРо, 2004. – 103с.

Смирнов И.А. Роль устьичного аппарата в формировании газовыносливости древесных растений // Вестн. с.-х. науки Казахстана.– 1986.– № 10.– С. 72-75.

Таршис Г.И., Таршис Л.Г. Разнообразие и диагностическое значение структурных признаков лекарственных растений // Мат-лы I Междунар. симп. Пущино. 1995.

Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам (отв. Ред. Н.Н. Немова); Институт биологии Кар НЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. – 172с.

Эсау К. Анатомия растений.– М.: Мир, 1969.– 564 с.

Приложение 1.

Приложение 2.

Содержание меди в почве.

Содержание цинка в почве.

Содержание свинца в почве.

Содержание кадмия в почве.

Приложение 3.