V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение качества воздуха Заягробского района города Череповца методом лихеноиндикации

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Игумнов С.С. 1

---

1МАОУ ДО "Детский технопарк "Кванториум"

Великанова Т.А. 1

---

1МАОУ ДО "Детский технопарк "Кванториум"

Работа в формате PDF

492.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Проблема загрязнения природной среды – одна из глобальных проблем современного мира. В связи с интенсивным развитием промышленности и транспорта, в атмосферу, гидросферу, литосферу поступает все большее количество вредных выбросов. На земном шаре практически невозможно найти место, где бы ни присутствовали в той или иной концентрации загрязняющие вещества. Наиболее острую экологическую проблему в крупных городах представляет загрязнение воздуха, поскольку регулярно происходит выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух [2].

Существуют различные методики исследования уровня загрязнения воздуха. Есть инструментальные методы определения содержания в воздухе вредных примесей, которые используются государственными природоохранными организациями в целях мониторинга воздушной среды города, особенно вдоль оживленных автомагистралей. Однако такие методы малодоступны и дорогостоящие. Наиболее доступная методика оценки степени загрязнения воздуха – лихеноиндикация. То есть использование лишайников в качестве индикаторов состояния воздуха. Они являются наилучшими индикаторами состояния окружающей среды, так как они распространены по всему земному шару и их реакция на внешние воздействия очень сильна, а собственная изменчивость незначительна по сравнению с другими организмами [1]. В связи с этим тема данной работы является актуальной.

Мы решили проверить методом лихеноиндикации, каково качество воздуха в разных частях Заягробского района г. Череповца.

Цель: провести лихеноиндикацию в Заягробском районе города Череповца.

Задачи:

• выбрать модельные деревья для лихеноиндикационных исследований;
• определить проективное покрытие лишайников на стволах деревьев;
• определить количество видов лишайников на модельных деревьях;
• определить относительную чистоту атмосферы.

Объект исследования: качество воздуха.

Предмет исследования: лихеноиндикация.

Гипотеза исследования: чем дальше от промышленной зоны, тем больше проективное покрытие и количество видов лишайников, т.е. воздух более чистый.

Глава 1. Обзор литературы по теме исследования

Лишайники – это симбиотические организмы, тело которых состоит из автотрофного и гетеротрофного компонентов – зеленых или сине-зеленых водорослей и гриба. Для каждой систематической группы лишайников характерна постоянная, сложившаяся в процессе эволюции, форма сожительства определенного гриба с определенной водорослью. Лишайники встречаются почти во всех наземных экосистемах. Гифы лишайников выделяют кислоты, растворяющие такие твердые породы, как гранит, и проникают в мелкие трещинки, щели. Они превращают гранит в рыхлую массу и подготавливают субстрат для заселения более требовательными к минеральному питанию растениями.

Загрязнение атмосферы губительно для большинства лишайников, поэтому наличие лишайников свидетельствует о чистоте воздуха в данной местности.

Среди многообразия лишайников встречаются виды с разной чувствительностью к атмосферному загрязнению. Встречаются даже виды, хорошо развивающиеся в загрязненном воздухе. Большинство же видов отличается высокой и средней чувствительностью к изменению химического состава воздуха, иногда в сотни раз превышающей чувствительность человеческого организма. Это обусловлено рядом факторов, связанных с физиологией этих растений. В условиях города на лишайники оказывают влияние освещенность, температура, физические и химические свойства субстрата и, особенно, состав воздуха.

В качестве причин, обусловливающих малую устойчивость лишайников к загрязненному воздуху, называют следующие: высокая чувствительность водоросли (фитокомпонент 80% видов лишайников) и высокие требования к кислотности субстрата, изменение которой приводит к гибели лишайника. У лишайников газообмен происходит через всю поверхность тела. Также всей поверхностью лишайники впитывают дождевую воду, где концентрируется много токсичных газов. Эти организмы сохраняют способность к росту при температуре чуть ниже 00 С. Наиболее опасные для лишайников загрязнители воздушного бассейна города – окислы азота, угарный газ, соединения фтора. Самое негативное воздействие на них оказывают соединения серы, особенно сернистый газ.

Загрязнители воздуха нарушают пигментную систему фотосинтеза, окисляя хлорофилл, разрушающийся уже при рН 3,2 – 3,4, и нарушая процесс транспорта органических веществ.

Свидетельством загрязненности воздуха в отдельных районах города могут служить не только отсутствие кустистых или листоватых форм лишайников, но и их внешний вид. При больших концентрациях наиболее встречающегося загрязнителя – двуокиси серы – лишайники преждевременно стареют. Именно так лихенологии называют состояние организма, когда слоевище нарастает по краям, а сердцевинные его части отстают от субстрата и выпадают. В этом случае колонии листоватых лишайников имеют форму полумесяца. Кроме того, по мере приближения к источнику загрязнения слоевища лишайников становятся более толстыми и компактными [2].

Глава 2. Характеристика района исследования

Череповец — крупнейший индустриальный центр Северо-Западного региона России. Основной промышленный потенциал сосредоточен в металлургической и химической отраслях. В городе находится основной производственный актив сталелитейной компании «Северсталь» — Череповецкий металлургический комбинат. Кроме этого, в городе располагаются крупнейшие производства компании «ФосАгро АГ» — производителя минеральных удобрений [7].

Череповец находится в подзоне южной тайги, в умеренном климатическом поясе, то есть зимой холодно, летом – тепло. Большую часть года в Череповце преобладают южные ветры (23%). Тем не менее, это вовсе не значит, что климат от этого как-то заметно мягче. Все районы города испытывают определённое воздействие со стороны промышленных предприятий, особенно металлургического комбината, который выбрасывает внушительное количество вредных и загрязняющих веществ в воздух. Индустриальному и Северному району, которые находятся совсем близко к промплощадке, достаётся больше всего. Наиболее благоприятен – Заягорбский район. Зашекснинский район ему в этом отношении проигрывает, потому что роза ветров к нему не слишком благосклонна. В чём внешне проявляется воздействие промышленной зоны? Иногда в некоторых районах города чувствуются неприятные запахи. Оранжевые, серые и чёрные дымы комбината (а также высоченные трубы) можно наблюдать издалека, хотя и не отовсюду. В этом, пожалуй, основные «видимые» проявление загрязнения [7].

Уровень загрязнения атмосферного воздуха характеризовался Росгидрометом в период 2012-2013 годы как высокий, в 2014-2016 годы – повышенный.

Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) изменялся в пределах от 9,6 до 3,9 единиц, в 2016 году составил 4,1 единицы (по оценке Департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды Вологодской области) (рис. 1).

ИЗА в 2014-2016 году снизился в результате уменьшения содержания в атмосферном воздухе бенз(а)пирена и диоксида азота, а также в связи с изменением (увеличением) предельно допустимой концентрации формальдегида. Основными источниками загрязнения воздуха являются предприятия металлургического производства (Череповецкий металлургический комбинат ПАО «Северсталь», Череповецкая производственная площадка «Северсталь-метиз»), производства машин и оборудования (ООО «ССМ-Тяжмаш»), химического производства (АО «ФосАгро-Череповец»), по обработке древесины и производству изделий из дерева (ЗАО «Череповецкий фанерно-мебельный комбинат»), по производству и распределению электроэнергии, газа и воды (ООО «Вологдагазпромэнерго», МУП «Теплоэнергия») [5].

Рис. 1. Индекс загрязнения атмосферы в г. Череповце в 2012-2016 гг [5].

На 4 постах ГСН контролируется 11 загрязняющих веществ: взвешенные вещества (пыль), диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота, оксид азота, формальдегид, фенол, сероводород, сероуглерод, аммиак, бенз(а)пирен. На посту № 1, кроме того, ведутся наблюдения за содержанием в воздухе металлов. Расположение постов: № 1 – ул. Жукова, 4 – "промышленный", № 2 – ул. Сталеваров, 43, № 3 – пр. Победы, 136, № 4 – ул. Пионерская, 29 – "городские фоновые" (на схеме обозначены "Р") (рис. 2).

На 5 постах автоматизированной системы контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА) контролируется 4 загрязняющих вещества: оксид углерода, диоксид азота, аммиак, сероводород. Посты находятся: № 1 – ул. Жукова, 4, № 2 – Октябрьский пр., 42, № 3 – ул. Пионерская, 37, № 4 – пр. Победы, 94, № 5 – Советский пр., 90 (на схеме обозначены "А") (Рис. 2).

Рис.2. Расположение стационарных постов [4].

В атмосферном воздухе г. Череповца уровень загрязнения атмосферы в 3-м квартале 2017 года характеризуется как повышенный.

Среднемесячная концентрация формальдегида составила в июле – 1,7 ПДКсс, августе – 1,3 ПДКсс, сентябре – 1,1 ПДКсс; для остальных контролируемых веществ среднемесячные концентрации не превышали гигиенические нормативы. Максимальная разовая концентрация формальдегида превысила допустимое значение в 1,8 раза, сероуглерода – в 1,6 раза, фенола – в 1,3 раза.

В г. Череповце, где значительную техногенную нагрузку на окружающую среду создают предприятия металлургии и химической промышленности, уровень загрязнения атмосферного воздуха до 2014 года оценивался как «высокий», в 2014-2016 годы и 9 месяцев 2017 года – «повышенный» [4].

Глава 3. Материал и методы исследования

Исследования проводились в сентябре 2017 года на территории Заягробского района города Череповца на трех пробных площадках: парк 200-летия, аллея на ул. Архангельской, парк Гоголя (прил. рис. 5). На каждой было выбрано по 3 модельных дерева, а именно тополя.

«Способ палетки» является методом непосредственного измерения проективного покрытия лишайников на стволах деревьев, т.е. измерения процентного отношения площади, покрытой лишайниками, к площади, свободной от лишайников. Палетка представляет собой рамку, разделенную на 100 квадратов размером 1 х 1 см (прил., рис. 6).

Подсчет лишайников на каждом участке ствола производился следующим образом. Сначала считают число квадратов, в которых лишайники занимают на глаз больше половины площади квадрата (а), условно приписывая им покрытие, равное 100 %. Затем подсчитывают число квадратов, в которых лишайники занимают менее половины площади квадрата (b), условно приписывая им покрытие, равное 50 %. Данные записывают в рабочую таблицу 1.

Общее проективное покрытие в процентах (R) вычисляют по формуле: R= (100 a + 50 b) / С, где С - общее число квадратов палетки [3].

Таблица 1

Оценки частоты встречаемости и степени покрытия по пятибальной шкале

Качество воздуха оценивалось по шкале, представленной в таблице 2 [6].

Таблица 2

Шкала оценки качества воздуха

После проведения исследований произвели расчет средних баллов встречаемости и покрытия для каж­дого типа роста лишайников – накипных (Н), листовых (Л)и кустис­тых (К).Зная баллы средней встречаемости и покрытия Н, Л, К,легко рассчитать показатель относительной чистоты атмосферы (ОЧА) по формуле:

ОЧА=Н + 2∙Л + З∙К ⁄30

Чем выше показатель ОЧА (ближе к единице), тем чище воздух мес­тообитания [1].

Глава 4. Результаты исследования и их обсуждение

Результаты исследования были сведены в таблицы 3-5 и представлена сводная диаграмма оценки качества воздуха по проективному покрытию стволов деревьев на пробных площадках (рис. 3.)

Таблица 3

Результаты лихеноиндикации вдоль улицы Архангельской

Таблица 4

Результаты лихеноиндикации в парке 200-летия

Таблица 5

Результаты лихеноиндикации в парке Гоголя

Рассчитанные данные показали, что воздух в районе парка 200-летия относительно чистый, на территории аллеи вдоль ул. Архангельской- умеренное загрязнение, а в парке Гоголя проективное покрытие лишайников менее 20% соответственно степень загрязнения очень сильная.

%

Рис. 3. Диаграмма оценки качества воздуха по проективному покрытию стволов деревьев на пробных площадок

По шкале частоты встречаемости и степени покрытия на территарии парка Гоголя проективное покрытие соответствует 2 баллам, вдоль улицы Архангельской – 3 бала, а в парке 200–летия - 4 балла.

Затем высчитали ОЧА по формуле:

ОЧА=5+2*0+3*0/30=0,16 (парк 200-летия)

ОЧА=3+2*0+3*0/30=0,1 (ул. Архангельская)

ОЧА=2+2*0+3*0/30=0,06 (парк Гоголя)

Имеется прямая связь между ОЧА и средней концентрацией диоксида серы в атмосфере. Следовательно, самый чистый воздух в парке 200-летия, менее чистый вдоль улицы Архангельской, а самый грязный в парке Гоголя.

Такие результаты могут быть обусловлены тем, что парк Гоголя окружают 3 оживлённые проезжие части и он расположен от промышленной территории ПАО «Северсталь» на расстоянии 9,5 км, в то время как аллея на улице Архангельской отдалена от завода на 12 км.

Парк 200-летия находится на небольшом расстоянии от котельной № 2, у которой довольно значительные выбросы в атмосферу: твердые частицы золы, оксиды серы (SO2, SO3), оксиды азота (NOx). Несмотря на это, воздух территории парка является самым чистым из исследуемых, т.к. преобладают ветра южные и юго-западные (рис. 4) от завода парк удален на значительное расстояние в 13 км.

Рис. 4. График ветра (направление - откуда дует ветер) в Череповце, с усредненными значениями согласно данным gismeteo.ru [8]

Проанализировав получившиеся результаты, мы можем сказать, что наша гипотеза подтвердилась.

В заключении отметим, что рассмотренный метод лихеноиндикации загрязнения окружаюещей среды требует дополнительной доработки. Планируется поэтапное исследование эпифитной лихенофлоры урбоэкосистемы г. Череповец с целью раскрытия влияния городской среды на лишайники; составление лихеноиндикационных карт городской территории с целью выявления районов с наибольшим антропогенным загрязнением атмосферной среды и являющиеся неблагоприятными в экологическом плане.

Выводы

1. Для лихеноиндикационных исследований нами были выбраны в качестве модельных деревьев тополя;
2. Степень проективного покрытия в парке 200-летия составила 71,3%, вдоль улицы Архангельской – 37,2%, в парке Гоголя - 11,3%;
3. Количество видов лишайников на исследуемых площадках не превышало двух;
4. По значениям индекса относительной чистоты атмосферы самый чистый воздух в парке 200-летия, менее чистый вдоль улицы Архангельской, а самый грязный в парке Гоголя.

Библиографический список

1. Ашихмина Т.Я.,Школьный экологический мониторинг -М. Агар, 1999. – 286 с.
2. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / О.П. Мелехова, Е.И. Егорова, Т.И. Евсеева и др.; под ред. О.П. Мелеховой и Е.И. Егоровой. – М.: Академия, 2007. – 288 с.
3. Боголюбов А.С. Оценка загрязнения воздуха методом лихеноиндикации: метод. пособие / А.С. Боголюбов, М.В. Кравченко. – М.: Экосистема, 2001. – 15 с.
4. Доклад об итогах деятельности Департамента и экологической обстановке на территории Вологодской области в 3 квартале 2017 года, Вологда, 2017. – 30 с.
5. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Вологодской области в 2016 году / Правительство Вологодской области, Департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды Вологодской области. – Вологда, 2017. - 250 с.
6. Ляшенко О.А. Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды: учебное пособие. – СПб: СПб ГТУРП, 2012. – 67 с.
7. Промышленность города. [Электронный ресурс] URL: http://www.cherinfo.ru/32 (дата обращения 21.03.2018 г.)
8. Роза ветров в Череповце. [Электронный ресурс]. - URL: https://world-weather.ru/archive/russia/cherepovets/ (дата обращения 21.03.2018 г.)