VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Биоиндикация атмосферного воздуха на основе сосны обыкновенной

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пампей К.А. 1

---

1Государственное бюджетное образовательное учреждение «Гимназия №7 им.В.И.Великого

Пивоварова Н.В. 1

---

1Государственное бюджетное образовательное учреждение «Гимназия №7 им.В.И.Великого

Работа в формате PDF

2.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Атмосфера – газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Атмосфера Земли содержит кислород, используемый большинством живых организмов для дыхания, и диоксид углерода потребляемый растениями, водорослями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. Атмосфера также является защитным слоем планеты, защищая ее обитателей от солнечного ультрафиолетового излучения. Атмосферный воздух – один из важнейших природных ресурсов, без которого жизнь на Земле была бы совершенно невозможна. Без воды человек может прожить – одну неделю, без пищи – пять недель, без воздуха 5-6 минут. Именно благодаря определенному газовому составу атмосферы существует жизнь на Земле, происходят жизненно необходимые химические реакции, как в масштабах человечества, так и планеты Земля. Вот почему охрана атмосферного воздуха – ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды.

Загрязнение атмосферы – это привнесение в атмосферу или образование в ней физико-химических агентов и веществ, обусловленное как природными, так и антропогенными факторами. К природным относятся:

Пыльные бури,

Лесные пожары,

Выветривание

Морская соль,

Бактерии,

Споры плесени.

Продукты, разложения растений и животных и др.

Извержения вулканов.

Эти источники заметно не нарушают равновесие в природных экосистемах. Но, в последние пятьдесят лет, антропогенные факторы загрязнения по своей масштабности стали превосходить природные, приобретая глобальный характер. Они оказывают на атмосферу различные негативные воздействие. Необычайно важно вовремя определить состояние экосистемы и снизить экологическую нагрузку путем уменьшения влияния антропогенных факторов.

В последние два десятилетия на территории многих стран наблюдается массовое повреждение и деградация лесов. Причины этого кроются в загрязнении воздушного бассейна. Кислые дожди, высокие концентрации оксидов серы повреждают растения.

Биоиндикация – это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений. Это свойство замечать химические, экологические, физические изменения проявляется в особенностях роста и развития этих живых организмов. Часто в виде индикаторов выступают именно растения или их группы , которые показывают качество условий проживания.

Хвойные растения чувствительны к загрязнению среды. Они особенно сильно страдают от сернистого газа. Продолжительность жизни хвои у сосны составляет 3-4 года. За это время растение накапливает сернистый газ, находящийся в загрязненной атмосфере, что влияет на морфометрические показатели сосны ( необычная окраска листвы, опадение листвы, изменение формы роста, плотности популяции, ариала вида и т.д. ) Наблюдая за этими параметрами, можно констатировать избыточное присутствие в атмосфере какого-либо газа, сделать обоснованные выводы о составе воздуха и предупредить возникновение экологической катастрофы.

Объектом исследования является загрязнение воздушной среды некоторых участков города Севастополя.

Предмет исследования – растение – индикатор - сосна обыкновенная.

Цель – определить экологическое состояние, степень загрязненности районов города Севастополя, используя в качестве биоиндикатора сосну обыкновенную.

Задачи:

Изучить литературные данные о методах биоиндикации;

Проанализировать научные данные об индикационных способностях сосны;

Провести исследование растений-индикаторов на территориях с различной степенью антропогенного влияния;

Статистически обработать данные, подвести итоги исследований и сделать выводы об уровне загрязнения районов города Севастополя.

РАЗДЕЛ 1

ЛИТЕРАТУРНЫЙ РАЗБОР

Сосна обыкновенная (Pinussylvestris) – растение, широко распростроненный вид рода Сосна семейства Сосновые (Pinaceae).

Царство: растения

Отдел: хвойные

Класс: хвойные

Порядок: сосновые

Семейство: сосновые

Род: сосна

Вид: сосна обыкновенная

Латинское название Pinussylvestris (Linnaeus,1753)

Вечнозеленое дерево ( реже стелющийся кустарник ) высотой до 40 метров, диаметром ствола до 1,8 м. Крона у молодых деревьев коническая ( широкопирамидальная ), с горизонтальными ветвями в мутовках, а у взрослых – округлая, шарообразная, ажурная. По числу мутовок можно определить возраст у молодой (до 35-40 лет) сосны.

Она растет на огромной территории – от Белого до Черного моря и от Белоруссии до Восточной Сибири. В отношении света сосна очень требовательна. Она совершенно не выносит затенения. Сосна имеет рыхлую, ажурную крону, которая пропускает много света. Поэтому сосновый лес всегда светлый, приветливый. На ветвях сосны парами располагаются длинные узкие хвоинки. Такое расположение хвои – характерная особенность этой древесной породы. Хвоинки остаются соединенными попарно не только при жизни,но и после отмирания. Опадают они тоже вместе. Массовое опадание сухой сосновой хвои происходит в сентябре. Если присмотреться, не трудно заметить, что зеленые хвоинки располагаются на концах веток, т.е. на побегах данного года и прошлогодних , а желтые несколько поотдаль, на более старых побегах, которым уже 3 года. В средней полосе страны хвоинки сосны живут обычно не более двух-трех лет.

Листья двух типов: коричневые чешуевидные и зеленые фотосинтезирующие. Зеленые листья, расположенные по одному или пучками (по 2-5 в каждом) на верхушках коротких побегов, опадают вместе с ними. Многочисленные быстро засыхающие чешуевидные листья покрывают длинные побеги. Короткие побеги развиваются в пазухах чешуевидных листьев на длинных побегах. Первичный корень может сохраняться всю жизнь и развиваться в виде мощного стержневого, от которого отходят боковые, часто сильно разветвленные.

Сосна – ветроопыляемое растение. Ежегодно на сосне бывает одновременно три типа шишек: красные маленькие, не больше земляничной ягоды ( в них происходит опыление ); зеленые несколько крупнее в них идет процесс оплодотворения и коричневые (бурые), в которых созревают семена. Лет семян начинается весной (март-апрель) и продолжается около 45 дней. Семена очень мелкие . Благодаря крылу семя далеко относится ветром от материнского дерева. Сосна плодоносит не каждый год. Урожайные годы повторяются через 3-5 лет. Семена богаты жирами – для многих жителей леса – это ценный корм. (4;52-54)

Рис. 1.1 Органы сосны обыкновенной

Семеношение у свободностоящих сосен начинается с 10-15 лет, в насаждениях с 30-40 лет и старше, в зависимости от сомкнутости крон. В урожайные годы на одном столетнем дереве образуется 500-1000 шишек с большим варьированием их количества у отдельных деревьев в зависимости от преобладающегопола «цветков». Шишки сидят одиночно ( у деревьев с преобладанием мужских «соцветий» ) или мутовками по 3-4 ( преимущественно на деревьях с преобладанием женских «соцветий» ). Только на «женских» деревьяхиногда образуются гроздья по 10-15 шишек.

Сосна – дерево удивительно нетребовательное к почве. Она мириться и с чрезвычайной бедностью почвы питательными веществами и с крайней ее сухостью , и с резким недостатком кислорода. Встречаясь на самых различных почвах, сосна имеет много морфологических форм и экологических типов. В различных частях ее ариала выделают от 5 до 20 морфологических форм и 10 экотипов сосны,с которыми эти формы часто связаны. В Сибири распространена сибирская форма, отличающаяся более выпуклым апофизом (выступом) семенных чешуи шишек.

Сосна устойчива к понижению температуры. Зимой хвоинки сосны надежно защищены от высыхания. Каждая хвоинка надежно покрыта тонкой, но непроницаемой для воды пленкой-кутикулой. Микроскопические клапаны-устьица, во множестве разбросанные по поверхности хвоинки, плотно закрыты, что исключает возможность испарения. Каждое устьице «запечатано» воском.

В клетках хвоинки содержатся хлоропласты – микроскопические зеленые тельца, вырабатывающие органические вещества. Почти все они располагаются только у клеточных стенок, в слое протоплазмы. Стенки хвои имеют складки, вдающиеся внутрь клеточной полости. Благодаря этому намного увеличивается внутренняя поверхность клетки, а значит и количество хлоропластов (7).

Корневая система сосны весьма чувствительна к уровню стояния почвенных вод. При повышении и понижении этого уровня более, чем на 20 см столетние сосны начинают усыхать. Более молодые оказываются устойчивее. Поэтому при подтоплении лесов водохранилищами ГЭС первыми усыхают сосняки. По этой же причине губительной для сосны оказывается выкопка канав для подземных коммуникаций, понижающая уровень почвенных вод (8).

Древесина сосны ядровая, смолистая, довольно плотная малоупругая. У молодых и средневозрастных деревьев она прямослойная. С возрастом становится косослойной. В зависимости от особенностей условий произрастания дерева плотность и удельный вес сосновой древесины меняются. На сухих малоплодородных почвах у сосны формируется мелкослойная плотная древесина , называемая кондовой и особенно ценимая в строительстве. На плодородных, хорошо увлажненных почвах образуется крупно-слойная менее плотная маяндоваядревесина с худшими механическими свойствами.

Сосна – очень ценная лесная порода. Дает строевую и поделочную древесину. Древесина сосны пронизана смоляными ходами, как бы пропитана смолой, предохраняющей дерево от гниения. Используется для подсочки и получения живицы, которая после переработки дает скипидар, канифоль. Из свежих кряжей готовят целлюлозу. Хвою обрабатывают на заводах в хлорофиллокаротиновую пасту, используемую для лечения ожогов, язв. Из хвои получают сосновый экстракт для ванн, эфирное масло.

В медицинских целях широко используют сосновые почки, а также хвою и смолу сосны. Сосновые почки богаты витамином С, содержат эфирное масло, смолу, горькие вещества. Хвоя сосны содержит эфирное масло до 1 %, смолу до 12%, дубильные вещества до 5 %, аскорбиновую кислоту до 200 мг % и некоторые другие вещества. Вытекающая желтая живица сосны ( «смола сосны») представляет собой смесь смолы и эфирного масла. Все эти действующие вещества формируют основу химического состава и определяют целебные свойства сосны обыкновенной.

У сосны много врагов: грибные и вирусные болезни поражают сеянцы, хвою, ветви, стволы. Наносят ей вред и насекомые. Ученые посчитали, что сосне вредят 200 видов насекомых. Зимой побегами и корой питаются лоси [2;266-267].

Очень опасны для сосны и ядовитые газы, которые выбрасывают трубы заводов и фабрик, в особенности сернистый газ. Под влиянием ухудшения качества атмосферного воздуха у отдельных особей или групп некоторых растений отмечаются различные изменения: необычная окраска листвы, опадение листвы, изменение формы роста, плотности популяции, ареала вида и т.д. Наблюдая эти изменения, можно констатировать избыточное присутствие в атмосфере какого-либо газа. Поступающие в ткани опасные соединения в результате газообмена или во время осадков (рис. 1.2) [10] в концентрации, не превыщающей ПДК, проникают в сосуды проводящего пучка, по которым оттекают и постепенно накапливаются на кончинке хвоинки. При достижении концентрации, превышающей нейтрализующие способности хвои, происходит изменение структуры клеток сосудов и плазмолиз в клетках мезофилла. Полное закупоривание сосудов является причиной резкого сокращения притока воды и минеральных веществ, глубокого иссушения и отмирания [3]. Это показатель того, что воздух сильно загрязнен газами, которые поступают в атмосферу из заводских труб, топок и т.д.

• Измерение диаметра ствола на высоте 1,3 м [6]

• Измерение длины побега , от полугода до 4 лет. [5] (Рис.2.1).

Рис. 2.1 Возраст побега сосны

Сбор с каждого дерева по 100 хвоинок для определения вида повреждения усыхания хвои ( Рис.2.2 ). Старались максимально разнообразить выборку: собрали хвою с разных по возрасту побегов, на разной высоте, с разным уровнем загрязнения и усыхания.

Рис.2.2 Виды повреждения и усыхания хвои.

А – хвоя без пятен (КП1), нет сухих участков (КУ1);

б – хвоя с небольшим числом мелких пятен (КП2), нет сухих участков (КУ1);

в – хвоя с большим числом черных и желтых пятен (КП3), усох кончик 2-5 мм (КУ2).

Разбор хвоинок проводится в лаборатории. Все хвоинки делились на группы, в соответствии с выше приведенными классами усыхания и повреждения ( см. рис. 2.2 ). Определив класс повреждения и продолжительность жизни хвои, можно оценить класс загрязненности воздуха (табл.2.3).

Таблица 2.3

Определение класса загрязненности воздуха

Примечание: I – чистый воздух, II – относительно чистый («норма»), III– заметно загрязненный («тревога»).

Описание жизненного состояния деревьев проводится после визуального анализа [1] (Табл.2.3).

Таблица 2.3

Параметры оценивания жизненного состояния деревьев

РАЗДЕЛ 3

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Измерение экологической нагрузки исследуемых участков.

Для оценки общего экологического состояния участка и пропорционального соотношения антропогенного влияния на растения проводили подсчет проезжающего транспорта в разное время суток, в течении 15 минут (Табл.3.1)

Таблица 3.1

Количество проезжающего транспорта на участках за определенный период

Проанализировав полученные данные, можно утверждать, что наиболее интенсивное движение автотранспорта наблюдается на участке №4 (остановка «улица Меньшикова») и №2 («Студгородок»). Данную тенденцию можно объяснить тем, что эти остановки, находятся на единственной дороге, которая соединяет центр города и Гагаринский район. Участок №1 (остановка «Больничный комплекс») также имеет достаточно высокий уровень в связи города с отдаленными районами и близлежащими населенными пунктами. Участок №3 (остановка «Парк Победы») можно назвать экологически менее загрязненным, т.к. к территории проведения исследования прилегает дорога, которая является второстепенной и не имеет высокую транспортную нагрузку.

3.2. Измерение морфофизиологических параметров сосны обыкновенной.

При выборе места дистанционного исследования учитывались многие факторы, от которых зависела достоверность полученных результатов. Например, расстояние от дороги, биотические показатели ( межвидовая и внутривидовая конкуренция ), абиотические ( влажность, температура, почва ). Направление ветра является также очень важным параметром изучения влияния выбросов транспорта на растения. Если позволяло расположение посадки сосны, то представители вида-индикатора исследовались на противоположных сторонах дороги. Так проходило исследование на участках №1 и №3.

Визуально оценивалось жизненное состояние деревьев на четырем параметрам (Табл. 3.2), каждый из которых позволяет оценить степень подверженности растения к ухудшению благосостояния окружающей среды и выявить наименее устойчивую систему организма сосны обыкновенной. Именно поэтому оценивали репродуктивную систему (шишки) и общее состояние хвои (дефолиация и загрязненность).

Таблица 3.2

Жизненное состояние деревьев

Оценивая, полученные нами результаты, следует отметить, что наибольшее количество баллов по оценке класса дефолиации и загрязненности хвои набрал участок №4 (1,7 и 3 балла соответственно). Тем не менее, у представителей этого участка обнаружено максимальное количество шишек, что вероятно свидетельствует о компенсаторном эффекте. Предположительно именно этот фактор объясняет наименьшее количество шишек сосен участка №3, показатели загрязненности которого были минимальными. Наиболее распространенный тип дефолиации – от основания кроны, что может быть объяснено морфологическими особенностями сосны обыкновенной, у которой по мере роста отмирают нижние побеги. Однако тип дефолиации на участке №4 – периферийный и вершинный, что может быть объяснено высоким уровнем загрязнения атмосферы (3 балла). Участки №1 и №2 демонстрируют прямую зависимость класса дефолиации (1 и 0,3 балла), от степени загрязненности ( 2 и 1 балла соответственно ), что объяснимо подверженностью системы организма растения. И обратную зависимость количества шишек (2,7/0,7 и 2/0,3), что основывается на защитном механизме репродуктивной системы.

С участков разной экологической нагрузки были собраны данные и материалы для дальнейшего лабораторного исследования. Исследовалось по три побега разного возраста с каждого участка (Табл.3.3). Контрольным образцом в данном случае было взято дерево №8 ( в центральной части Парка Победы, на расстоянии около 700 м от автомобильной дороги). Остальные побеги были взяты с деревьев, произрастающих вдоль дороги на разном расстоянии.

На участке №1 было исследовано три дерева на разном расстоянии от дороги, что, вероятно, объясняет отличия по количеству хвои на побегах: чем ближе к дороге, тем меньше хвои на молодых однолетних и двухлетних побегах. Т.к. известно, что молодые хвоинки активнее поглощают сернистый газ, чем старые (9). На участке №2 данная тенденция явно прослеживается (средние показатели: 36,7; 82,7;80,0 см), поскольку деревья расположены равноудаленно от дороги. Дерево №8 было выбрано в качестве контроля. Обоснованием нашего выбора могут являться показатели количества хвои на побегах, которые максимальны у однолетнего побега и минимальны у трехлетнего, что подтверждается характерным развитием хвои в экологически чистой зоне (9). Деревья участка №4 равноудалены от дороги, которая характеризуется наибольшей транспортной нагрузкой. Проанализировав данные о кол-ве хвои на побегах, можно проследить следующую зависимость: кол-во хвои однолетнего побега меньше кол-ва хвои двухлетнего побега больше кол-ва хвои трехлетнего побега: высокая вариация длины хвои (среднее значение 8,3 – 17,8 см).

На участке №3 длина двухлетнего побега – минимальна, а длина двух других – вариационная, но не меньше, чем двухлетнего. Такая же тенденция прослеживается на участке №1 в первых двух объектах. Но на участке №2 и №4 прослеживается следующая зависимость: длина однолетнего побега меньше длина двухлетнего побега и меньше длины трехлетнего побега, что на наш взгляд объясняется подверженностью более молодых побегов загрязнению воздуха, которое именно на этих участках максимально (см. рис. 3.1). Длина хвоинок пропорционально соответствует длине побега.

С каждого дерева после мониторинга и измерения морфологических показателей было собрано по 100 хвоинок для дальнейшего лабораторного исследования. Определяли вид повреждения (некроз), класс усыхания, отличительные особенности (Табл.3.3) и на основании полученных данных – класс загрязненности воздуха (см. табл. 2.2).

Таблица 3.4

Анализ хвои сосны обыкновенной

Проанализировав результаты анализа хвои сосны обыкновенной, можно утверждать, что исследованные сосны на участке №3 имеют наилучшую экологически чистую среду, что подтверждается количеством автомобилей (см. табл. 3.1) и расстоянием исследованных растений от дороги (см. табл. 3.3). Уровень загрязнения воздуха -I (чистый),II - (относительно чистый). Хвоя дерева №2 участка №1 с небольшим числом мелких пятен, но не имеет сухих участков. На этом же участке на деревьях №1 и №3 хвоя с большим числом желтых пятен, усох кончик на 2-5 мм. Эти данные свидетельствуют о IIи III (заметно загрязненный) классе загрязненности воздуха, что соответствует уровню транспортной нагрузки близлежащей дороги ( см. табл. 3.1). Так же во время проведения анализа на внутренней стороне хвои были обнаружены белые точки. Что свидетельствует о размножении вертуна – грибка ( CaeomapinitorguumA.Br.) из сем. pжавченников (Uredineae), паразитирующих на сосне ( обыкновенной и веймутовой). Вред, причиняемый деревьям этим паразитом – искривление побегов. Начинает развиваться, когда между влагалищами хвои появляются маленькие белые точки – спермогонии грибка, под которыми развиваются эцидии. В конце июня эцидии лопаются, и заключающиеся в них споры выходят наружу, после чего клетчатая ткань, находящаяся в окрестностях плодоносца, умирает – она мало-помалу буреет, засыхает или пропитывается смолой. При очень сильном развитии побегов раны, образующиеся от грибка, скоро зарастают, так что через 4-5 лет бывают едва заметны снаружи; но при менее успешном росте их можно видеть даже через 10-20 лет.

На участке №2 хвоя деревьев №4 и №6 с небольшим числом мелких желтых пятен, но хвоя дерева №5 была пожелтевшей на двух-, трехлетних побегах, что возможно и объясняет минимальное количество хвои данного объекта в пределах участка ( ст. табл. 3.3). Воздух определен, как заметно грязный, что сопоставимо с данными о количестве проезжающего транспорта ( всего за 5 мин. – 262 машины).

Участок №4 характеризовался максимальным уровнем транзитной нагрузки ( всего за 5 мин. - 344 машины.), что неблагоприятно отразилось на морфофизиологии хвои и побега (приглушение роста молодых побегов, уменьшение количества хвои аномальные вариации длины хвои), на жизненном состоянии (1,7 класс дефолиации, периферийный, и вершинный тип дефолиации, наивысший – 3 уровень загрязненности «сильно загрязненный»). К тому же сосна №11 поражена грибком Сronartiumribicolaна 35 %.

ВЫВОДЫ

Экологическое состояние воздуха города Севастополя зависит от множества антропогенных факторов. Одним из более распространенных и значительных по степени влияния является транспортная нагрузка. Статистическим методом было установлено, что данных параметр изменяется в следующей последовательности по убыванию: участок №4 «ул. Меньшикова», участок №2 «Студгородок», участок №1 «Больничный Комплекс», участок №3 «Парк Победы».

Визуально оценили жизненное состояние выбранных объектов сосны обыкновенной. В наилучшем состоянии по параметрам класса дефолиации и степени загрязнения хвои находятся сосны участков «Парк Победы» и «Студгородок». Самое большое количество новых и старых шишек было обнаружено на соснах участка «ул. Меньшикова», что свидетельствует о защитном механизме организма , т.к. по остальным параметрам данные объекты были в наихудшем состоянии.

Морфометрические показатели сосны обыкновенной наглядно демонстрируют глубину нарушений состояния растений. Чем более загрязнена атмосфера, тем менее развиты молодые хвоинки и побеги способные аккумулировать вредные вещества; развиваются аномальные вариации роста хвои.

Анализ хвои сосны обыкновенной помог определить степень загрязненности воздуха , которая отразилась на морфофизиологических показателях хвои (пожелтение – разрушение хлорофилла, усыхание). Чем больше транспортная нагрузка на участок, тем более выражены нарушения, следовательно, тем загрязненнее воздух.

На данный момент атмосфера города Севастополя, как показали исследования растения-индикатора сосны обыкновенной, находится в опасном и загрязненном состоянии. Возможно, одной из главных причин являются выбросы автотранспорта, которые необходимо уменьшить путем внедрения новых технологий, перепланировки главных дорог города, а также озеленения местности.

РАЗДЕЛ 2

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование проводили на участках с разной антропогенной нагрузкой (учитывали количество транспорта) и наибольшей площадью сосновой посадки. Таким образом, было выбрано 4 участка (ТАБЛ. 2.1).

Таблица 2.1

Исследованные участки

Для определения пропорционального соотношения антропогенной нагрузки на тот или иной участок подсчитывали количество легкового, грузового и дизельного транспорта за сутки. Для этого посчитали количество проезжающих машин за 15 минут – утром (8.00), днем (16-00) и поздно вечером (23-00) для определения пропорциональной нагрузки на тот или иной участок.

Сосны выбирали, учитывая расстояние до автодороги для выявления зависимости морфофизиологических показателей от удаленности источника загрязнения. После визуального анализа исключались растения с явными признаками высокого уровняпожелтения, механическими повреждениями (отсутствие верхушечных, боковых побегов, раздвоение ствола). На каждом участке исследовали по 3 дерева примерно одного возраста (15-17 лет). Проводили следующие комплексные исследования:

Определение возраста ( по количеству мутовок на стволе, прибавляя 2, так как в первые два года сосенки мутовок не образуют (11);