VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение качества воздуха 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

720.7 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 качество воздуха в г. Череповце методом лихеноиндикации.

Цель: провести лихеноиндикацию в Заягробском районе города Череповца.

Задачи:

Выбрать трансекты и модельные деревья для лихеноиндикационных исследований в разных районах города;

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

2.1. Физико-географическое описание, климат, растительность

Исследования проводились в городе Череповце, который располагается в Шекснинской горловине Рыбинского водохранилища на Молого-Шекснинской низменности [9]. Поверхность Череповецкого района полого наклонена в южном и юго-западном направлениях. Для территории города характерен равнинный рельеф. В черте города протекают реки Шексна, Ягорба, Серовка. Реки Нелаза, Торовка, Кошта располагаются за пределами жилых районов. Череповецкий район лежит в зоне тайги, в южной ее подзоне. Господствующим типом растительности здесь в прошлом были хвойные леса, под которыми сформировались дерново-подзолистые, местами подзолистые почвы. К настоящему времени коренных еловых и сосновых лесов, к сожалению, сохранилось немного, и на большей территории растут вторичные мелколиственные леса. Преобладающими на территории зелёной зоны Череповца являются подзолистые почвы [4].

Климат Череповецкого района формируется под влиянием факторов и процессов, обычных для Вологодской области, но положение на юго-западе, вблизи Рыбинского водохранилища, определяет некоторые его особенности. Особенно сильное влияние на климат района оказывает циклоническая деятельность. Наибольшее число циклонов приходит в осенне-зимний период. Для зимы характерна погода со снегопадами и оттепелями, сильными ветрами, что обуславливает снежные и сравнительно теплые зимы. Циклоны, приходящие в теплый период года, сопровождаются затяжными осадками и ощутимым снижением температуры воздуха. Для циклонов характерна неустойчивая погода.

Преобладает западный перенос воздуха, т. е. господствуют ветры юго-западной составляющей (прил., рис. 1). Зимой больше повторяемость южных, юго-западных и западных ветров, летом возрастает доля северо-восточных и северо-западных.

Циклоническая деятельность в сочетании с равнинной местностью обуславливает хорошее проветривание жилых кварталов и промышленных зон города. В большинстве случаев (90%) в городе наблюдается ветреная погода со скоростью ветра 2 – 7 м/с, реже бывают штили и слабые ветры. В зимнее время наблюдаются приземные и приподнятые инверсии, способствующие накоплению загрязняющих веществ от промышленных выбросов в приземных слоях атмосферы города [9]. Таким образом, на территории города качество воздуха может сильно варьировать в разное время.

2.2 Загрязнение атмосферы в г. Череповце

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 [8].

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 [8].

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) (прил., рис. 2).

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») [6] (рис. 2).

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. 3).

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") (прил., рис. 3).

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» [5].

Таким образом, определение качества среды в г. Череповце является актуальным.

Глава 3. Материал и методы исследования

Исследования проводились в сентябре 2017-2018 гг. на территории Заягробского района города Череповца (прил., рис.4.). Были заложены трансекты от промышленной зоны: в восточном направлении (запад – восток), в юго-восточном направлении (северо-запад – юго-восток). На каждой было выбрано по 3 модельных дерева, а именно тополя (прил. рис. 5).

В сентябре 2018 года исследования проводились на территории Индустриального района города Череповца на трёх пробных площадках: ул. Набережная, ул. Мира, ул. Строителей (прил. рис.6).

«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.

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 [7].

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

В 2017-2018 г. в Индустриальном и Заягробском районах г. Череповца были заложены трансекты, определены пробные площади с модельными деревьями для лихеноиндикации (табл. 3).

Таблица 3

Расположение пробных площадей в г. Череповце

Минимальное расположение от промышленной зоны составляет 0.1 км, а максимальное – 7,8 км. Трансекта с северо-запада на юго-восток располагается с подветренной стороны от промышленной зоны.

Результаты исследования за 2017 год в Заягробском районе г. Череповца были сведены в таблицы 4-6 (прил.), за 2018 год в Индустриальном и Заягробском районе г. Череповца в таблицы 7-12 (прил.) и представлена сводная диаграмма оценки качества воздуха по проективному покрытию стволов деревьев на пробных площадках (прил., рис. 7.).

За два года исследований данные на анализируемых площадках в Заягробском районе не изменились, воздух в районе парка 200-летия относительно чистый, на территории аллеи вдоль ул. Архангельской, ул. Строителей, ул. Набережной умеренное загрязнение, а в парке Гоголя и на ул. Мира проективное покрытие лишайников менее 20% соответственно степень загрязнения очень сильная (прил., рис. 7).

Минимальное среднее проективное покрытие лишайников 11,3 % характерно для ближайшего к промышленной зоне участка (ул. Мира). На этой пробной площади произрастает только 1 вид лишайника – ксантория постенная.

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

Затем высчитали ОЧА по формуле:

2017 год:

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)

2018 год:

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)

ОЧА=2+2*0+3*0/30=0,06(ул. Мира)

ОЧА=3+2*0+3*0/30=0,1(ул. Набережная)

ОЧА=3+2*0+3*0/30=0,1(ул. Строителей)

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, ул. Набережной, ул. Строителей; а также самый грязный в парке Гоголя и на ул. Мира. По получившимся данным индекса ОЧА нами была составлена лихеноиндикационная карта, которая наглядно демонстрирует степень загрязнения атмосферы на исследуемых территориях (прил. рис. 8).

Такие результаты могут быть обусловлены тем, что парк Гоголя окружают 3 оживлённые проезжие части и он расположен от промышленной территории ПАО «Северсталь» на расстоянии 5.8 км, в то время как аллея на улице Архангельской отдалена от завода на 7.1 км. Воздух на ул. Мира считается одним из самых грязных т.к. она удалена от завода на незначительное расстояние в 0.1 км, а также окружена двумя проезжими частями. Мы учли, что есть трамвайные пути, но они не влияют на экологическое состояние данной территории, по сравнению с заводом и проезжими частями.

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 (прил., рис. 9) от завода парк удален на значительное расстояние в 7.8 км.

Таким образом, изменение проективного покрытия лишайников позволило выявить загрязнение воздуха на некоторых территориях г. Череповца. Индустриальный район города в пределах 2 км. от промышленной зоны является более загрязненным по сравнению с удаленными участками, что можно объяснить особенностями рассеивания промышленных выбросов. Следовательно, наша гипотеза подтвердилась.

Выводы

Исследование показало, что количество видов и проективное покрытие лишайников на модельных деревьях (тополях) увеличивается по мере удаления от промышленной зоны.

Степень проективного покрытия лишайников на исследуемых территориях варьируется от 11.3% до 71,3%. Установлено, что воздух наиболее загрязнен в пределах от 2 км от промышленной зоны.

Предполагается что количество видов лишайников на исследуемых площадках не превышало двух. Определение видовой принадлежности требует доработки под руководством специалистов.

По значениям индекса относительной чистоты атмосферы самый чистый воздух в парке 200-летия, а самый загрязненный на ул. Мира.

Для более точных лихеноиндикационных данных, требуются дополнительные точки для дальнейшего исследования лишайников на стволах клёнов.

Библиографический список

Ашихмина Т.Я.,Школьный экологический мониторинг -М. Агар, 1999. – 286 с.

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.

Боголюбов А.С. Оценка загрязнения воздуха методом лихеноиндикации: метод. пособие / А.С. Боголюбов, М.В. Кравченко. – М.: Экосистема, 2001. – 15 с.

Воробьёв Г.А., Гаркуша В.И., Семёнов Д.Ф., Уханов В.П., Шевелёв Н.Н., Шестакова Л.Г. Очерки природы Череповецкого района // Череповец: Краеведческий альманах. Вып. 2 / [гл. ред. С. Г. Карпов]. - Вологда: Легия, 1999. С. 435 – 480.

Доклад об итогах деятельности Департамента и экологической обстановке на территории Вологодской области в 3 квартале 2017 года, Вологда, 2017. – 30 с.

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.

Ляшенко О.А. Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды: учебное пособие. – СПб: СПб ГТУРП, 2012. – 67 с.

Парахонский Э.В., Парахонский М.Э. Основы экологической политики индустриального города. – Вологда: Полиграфист, 1997. – 303 с.

Промышленность города. [Электронный ресурс] URL: http://www.cherinfo.ru/32 (дата обращения 21.03.2018 г.)

Роза ветров в Череповце. [Электронный ресурс]. - URL: https://world-weather.ru/archive/russia/cherepovets/ (дата обращения 21.03.2018 г.)

Приложение

Рис. 1. Повторяемость направлений ветра (%) в Череповце: А – январь, Б – июль

Рис. 2. Индекс загрязнения атмосферы в г. Череповце в 2012-2016 гг [5].

Рис.3. Расположение стационарных постов.

Рис.4. Исследуемые площадки Заягробского района

г. Череповца ( - точки сбора)

Рис.5. Оценка модельных деревьев

Рис.6. Исследуемые площадки Индустриального района

г. Череповца ( - точки сбора)

Таблица 4

Результаты лихеноиндикации вдоль улицы Архангельской (2017г.)

Таблица 5

Результаты лихеноиндикации в парке 200-летия (2017 г.)

Таблица 6

Результаты лихеноиндикации в парке Гоголя (2017 г.)

Таблица 7

Результаты лихеноиндикации на ул. Мира (2018 г.)

Таблица 8

Результаты лихеноиндикации на ул. Набережная (2018 г.)

Таблица 9

Результаты лихеноиндикации на ул. Строителей (2018 г.)

Таблица 10

Результаты лихеноиндикации на ул. Арханегльской (2018 г.)

Таблица 11

Результаты лихеноиндикации в парке 200-летия (2018 г.)

Таблица 12

Результаты лихеноиндикации в парке Гоголя (2018 г.)

Рис. 7. Диаграмма оценки качества воздуха по проективному покрытию стволов деревьев на пробных площадках

Рис. 8. Лихеноиндикационная карта,

показывающая степень загрязнения воздуха г. Череповца.

Условные обозначения:

- Наибольшее загрязнение воздуха

- Сильное загрязнение воздуха

- Среднее загрязнение воздуха

Рис. 9 График ветра (направление - откуда дует ветер) в Череповце, с усредненными значениями согласно данным gismeteo.ru [10].