IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оценка экологического состояния среды г. Чайковский с помощью пыльцевых зерен
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Предлагаемая вашему вниманию работа появилась по нескольким причинам. Во- первых, желание узнать что-то новое у меня было всегда. Как утверждают многие ученые, одним из самых эффективных способов познания окружающего мира является исследовательская деятельность. Во- вторых, в будущем я собираюсь связать свою жизнь с биологией. Биология, как известно, это наука о живых организмах. Мы живем в мире, в котором нас эти самые организмы и окружают. Мы и сами эти организмы, часть этого мира. Плохое качество окружающей среды создает угрозу здоровью человека, животных, растений. Актуальность темы нашей исследовательской работы определяется тем, что нам необходимо знать как можно больше о той среде, где мы живем. Данная работа посвящена исследованию загрязненности окружающей среды города, в котором живу я, моя семья, мои друзья... В- третьих, каждый человек для себя делает в жизни, пусть небольшие, но важные, с его точки зрения, открытия. Поэтому и мне стало важным что-то открыть, исследовать, самостоятельно получить и интерпретировать результаты этих исследований.
Пыльца растений может показать уровень загрязнения окружающейсреды. Поэтому в качествеобъекта исследования нами были выбрана пыльца яблони лесной или дикой Malussylvestris ((Mill, 1768) и липы мелколистной (сердцевидной) Тiliacordata (Mill, 1768), - массовых видов, произрастающих на улицах г. Чайковский Пермского края. Предметом исследованиястало качество пыльцевых зерен яблони дикой Malussylvestris ((Mill, 1768) и липы сердцевидной Тiliacordata(Mill, 1768).
Цель исследования – оценка экологического состояния среды улиц и микрорайонов города Чайковский с помощью пыльцы яблони дикой Malussylvestris (Mill., 1768) и липы сердцевидной Тiliacordata(Mill, 1768). Исследования проводились в течениедвух лет: 2018 и 2019гг.
Задачипервого года исследования:
Приобрести навыки исследовательской деятельности.
Определить участки исследований, собрать, и определить жизнеспособность и стерильность пыльцевых зерен яблони дикой и липы мелколистной произрастающих на улицах города.
Определить уровень антропогенной нагрузки на улицы микрорайона «Основной» г. Чайковский по проценту абортивных пыльцевых зерен и сделать выводы о степени загрязнения окружающей среды.
Определить возможность использования яблони дикой Malussylvestris (Mill., 1768) и липы сердцевидной Тiliacordata (Mill, 1768)
для мониторинга состояния окружающей среды.
Задачи второго года:
Применить методы математической статистики для обработки полученных данных.
Выявить зависимость между количественными отношениями фертильных и абортивных пыльцевых зерен на примере расчета коэффициента корреляции.
Определить однородность популяции яблони дикойи липы сердцевидной по расчетам коэффициентов вариации фертильных и абортивных пыльцевых зерен.
Сравнить загрязненность разных микрорайонов города: Основной, Парковый, Заря, Уральский, Речники, Завокзальный.
Гипотеза: мы предполагаем, что в условиях большой антропогенной нагрузки и загрязнения окружающей среды качество пыльцы будет снижаться.
Практическая значимость работы: полученные данные могут быть использованы для мониторинговых исследований, дальнейших экологических исследований и прогнозов.
Глава 1. Обзор литературы
Чайковский по уровню загрязнения атмосферы относится к группе муниципальных образований Пермского края с наибольшей экологической нагрузкой [10]. Одним из методов определения экологической безопасности среды является палиноиндикация, Процессы формирования и развития пыльцы весьма чувствительны к воздействию абиотических факторов. Под влиянием этих факторов растения продуцируют большое количество стерильных пыльцевых зерен [7]. Пыльца отличается высокой чувствительностью к действию отрицательных факторов и может являться индикатором загрязнения среды генетически активными компонентами. Количество измененных пыльцевых зерен значительно увеличивается вблизи и на территории крупных промышленных центров. Генетически активные факторы среды нарушают процесс образования пыльцы, доводя до полного отсутствия в пыльниках нормальных пыльцевых зерен [5]. Палиноиндикация позволяет обнаруживать негативные изменения при малых концентрациях загрязняющих веществ, определять скорость воздействия негативных факторов и давать прогноз развития данной территории с точки зрения экологии. Для этого используется анализ, основанный на определении процента стерильности и тератоморфности(уродливости) пыльцевых зерен [2, 11].
|
Рис.1. Фото фертильных (темноокрашенных) и абортивных (неокрашенных) пыльцевых зерен яблони дикой |
При рассмотрении микропрепаратов нормальные пыльцевые зерна интенсивно окрашены, одинаковы по размерам и форме; стерильные – не окрашены или окрашены слабо, разных размеров и неправильной формы (рис.1). |
Глава 2. Методики и результаты исследований
2.1.Оборудование и материалы
Объекты:пыльца яблони лесной или дикой Malussylvestris ((Mill, 1768) и липы мелколистной (сердцевидной) Тiliacordata (Mill, 1768).Оборудование: полиэтиленовые пакеты, карандаш, бумага для этикеток; предметные стекла, препаровальные иглы, пипетки, стеклянные палочки, чашки Петри пинцет, фильтровальная бумага, раствор йодной настойки (5%), микроскоп с подключением к компьютеру для приготовления и рассматривания временных микропрепаратов; калькулятор, компьютер для обработки полученных данных. Для определения видовой принадлежности растений использовали определитель растений, лупы, линейки.
2.2. Определение объектов исследования
Для определения яблони лесной или дикой Malussylvestris (Mill, 1768)и липы мелколистной (сердцевидной) Тiliacordata (Mill, 1768) (прил.2, рис. 2,3), на которых проводилась экспериментальная часть, мы воспользовались «Иллюстрированным определителем растений Пермского края» С.А. Овеснова [1].Определение проводили непосредственно в среде, не повреждая растения.
2.3. Время и место сбора материала
Экспериментальная часть работы была выполнена в июне 2018, 2019гг. Сбор пыльцы исследуемых сортов проводили в период цветения. Материал для исследования собирали 13 -14 июня с яблони и 22- 23 июня с липы в 2018г; 21 - 29 мая с яблони и 2 - 4 июля в 2019г с липы.
Июнь 2018 выдался богатым на проявления погоды: заморозки, ливни, град, шквалы и жара до +33°С. Жаркая погода была лишь в последнюю неделю июня [8]. Лето 2019 г. в Пермском крае отличалось аномальными погодными условиями – низким температурным фоном, практически полным отсутствием жарких дней. Средняя температура летнего сезона составила +15,2°. Количество осадков летом 2019 г. превысило норму на всей территории края, выпало от 150 до 200% летней нормы осадков [6].
2.4. Методика пыльцевого анализа
В нашей работе мы проводили исследования по пыльцевому анализу. Методика анализа качества пыльцы заключается в определении процента абортивных (стерильных) пыльцевых зерен. Для определения фертильности и абортивности пыльцевых зерен мы использовали йодный метод, опубликованный в учебном пособии «Практикум по генетике» Самигуллиной Н.С. и Кириной И.Б. [11].
2.5. Сбор пыльцевых зерен.
Сбор цветков производили в полиэтиленовые пакеты и снабжали каждый этикеткой. Сбор производили небольшими партиями, чтобы было можно проанализировать состояние свежих пыльцевых зерен в лабораторных условиях в течение двух часов.
2.6. Приготовление и анализ микропрепаратов
Приготовление и анализ микропрепаратов мы проводили в следующей последовательности: 1. Препаровальной иглой извлекали пыльцу из пыльников цветка и помещали ее на предметное стекло. 2. С помощью пипетки наносили на пыльцу каплю раствора йода и размешивали каплю препаровальной иглой так, чтобы все пыльцевые зерна были в растворе, а не плавали на поверхности.3. Выдерживали препарат в таком виде в течение двух минут, после этого накрывали каплю покровным стеклом и рассматривали препарат под микроскопом. 4. По 10 полям зрения подсчитывали количество нормальных и абортивных пыльцевых зерен. 5. Определяли процент нормальных (или абортивных) пыльцевых зерен по каждому цветку, взятому для анализа.
2.7. Результаты исследования
Исследование проводилось в течение 2018, 2019гг. На первом этапе были определены район, объект и предмет исследования. На втором этапе проводилась экспериментальная работа по определению процента абортивных пыльцевых зерен. На третьем этапе обрабатывались и систематизировались полученные результаты, уточнялись ранее сделанные выводы.
Обработанные результаты исследования 2018г нами были занесены в таблицы. Обработка полученных результатов (рис.2) по качеству пыльцы яблони дикой позволяет говорить о том, чтофертильность
|
колеблется от 70% до 85,5%, абортивность – 15,5% - 30,0%. Количество абортивных пыльцевых зерен яблони дикой улиц города возрастает в ряду: ул. Кабалевского- Мира - Приморский бульвар - К. Маркса -Ленина - Вокзальная. |
|
|
Рис.2.Количество абортивных пыльцевых зерен яблони дикой (в %) на улицах г.Чайковский от 13-14 июня 2018г. |
Обработка полученных результатов по качеству пыльцы липы сердцевидной позволяет говорить о том, фертильность пыльцы составляет 72,4% -85,6%, абортивность – 15,4% - 27,6%. Количество абортивных пыльцевых зерен липы сердцевидной улиц г.Чайковский возрастает в ряду: ул. Горького - ул.К. Маркса - ул.Мира - ул. Кабалевского- Приморский бульвар - ул. Ленина - ул.Вокзальная.
|
В 2019г мы решили сравнить степень антропогенной нагрузки на разные микрорайоны города. Количественные показатели фертильных и стерильных пыльцевых зерен подвергли методам статистической обработки: |
|
|
Рис. 3. Количество абортивных пыльцевых зерен липы сердцевидной (в %) на улицах г. Чайковский от 22-23 июня 2018г |
определили среднее арифметическое по каждой выборке, стандартное отклонение, коэффициенты корреляции и вариации. Математическая обработка данных проводилась на базе программ Exel 2010.
Коэффициент корреляции показал в основном положительную зависимость между количеством фертильных и абортивных пыльцевых зерен (табл.1). Такая связь более проявляется у яблони, что подтверждает выводы первого года исследования: яблоня является наиболее чувствительной тест- системой, по сравнению с липой. Отрицательная зависимость выявлена только в случае между количеством фертильных и абортивных пыльцевых зерен липы сердцевидной микрорайона «Заря».
Таблица 1
Коэффициент корреляции фертильных и абортивных пыльцевых зерен яблони дикой и
липы мелколистной
|
Микрорайоны г. Чайковский |
|||||
|
Растения |
Основной |
Парковый |
Заря |
Уральский |
Завокзальный |
|
Яблоня дикая |
0,60 |
0,550 |
0,320 |
0,14 |
0,51 |
|
Липа сердцевидная |
0,19 |
0,37 |
-0,54 |
0,193 |
- |
Также мы рассчитали коэффициент вариации фертильных и абортивных пыльцевых зерен яблони дикой и липы мелколистной (рис. 4,5).
|
Рис. 4. Коэффициенты вариации абортивных пыльцевых зерен яблони дикой (в %) разных микрорайонов г. Чайковский от 13-14 июня 2018г |
Рис5. Коэффициенты вариации абортивных пыльцевых зерен липы сердцевидной (в %) разных микрорайонов г. Чайковский от 22-23 июня 2018г |
По величине коэффициента вариации можно судить о степени однородности признаков. Если показатель коэффициента вариации менее 33%, то эти значения являются типичной величиной [3]. Степень рассеивания данных незначительная у абортивных пыльцевых зерен яблони дикой микрорайонов « Парковый», «Уральский» (23%, 22%), фертильных пыльцевых зерен у яблони дикой и липы сердцевидной в микрорайонах «Заря» (33%,31%), липы сердцевидной в микрорайоне «Уральский» (31%). Значит, можно говорить о том, что условия среды обитания для яблони в названных микрорайонах не изменены. Такие популяции считаются однородными. Недостаточную однородность (35% - 40%) демонстрируют показатели коэффициента вариации абортивной пыльцы яблони в микрорайоне «Завокзальный» (40%), и абортивных пыльцевых зерен в микрорайоне « Основной» (40%). Большая колеблемость признаков (40% - 60%) по величине коэффициента вариации наблюдается у абортивных пыльцевых зерен яблони микрорайонов Основной (43%) и «Уральский» (45%), фертильных в микрорайонах «Парковый» (49%) и «Уральский» (55%). Все данные можно использовать для подтверждения положения о том, что условия жизни для тест- растений в основном изменены. Значения коэффициента вариации более 60% дают информацию о неоднородности популяций и требуют исключить эти значения из анализа.
Таким образом, согласно расчетам по показателям коэффициента вариации значений абортивных пыльцевых зерен, загрязненность среды в разных микрорайонах города по яблоне дикой возрастает в ряду: Заря – Парковый – Завокзальный - Уральский – Основной; по липе мелколистной: Парковый – Заря – Основной - Уральский. Количество абортивных пыльцевых зерен яблони дикой и липы сердцевидной микрорайонов «Заря» и «Парковый» находится в пределах нормы, следовательно, условия среды обитания для растений не изменен.
Выводы
В ходе выполнения УИР мы пришли к следующим выводам.
1.Отмечено снижение фертильности пыльцы при антропогенной нагрузке. Самый высокий уровень антропогенной нагрузки г.Чайковский испытывают улицы Вокзальная и Ленинапоселка «Основной», микрорайоны города «Основной», и «Уральский».
2.Расчеты значений коэффициентов вариации фертильных и абортивных пыльцевых зерен указывает на изменение условий среды для проживания организмов. Загрязненность среды в разных микрорайонах городапо яблоне дикой возрастает в ряду: Заря – Парковый – Завокзальный - Уральский –Основной; по липе мелколистной: Парковый – Заря – Основной - Уральский.
3.Абортивность пыльцы яблони дикой немного выше, чем у липы сердцевидной. Следовательно, яблоня дикая больше реагирует на изменения в окружающей среде. Это означает, что яблоня дикая более чувствительная тест- система, чем липа мелколистная.
4.Пыльцевые зерна яблони дикой и липы сердцевидной могут быть использованы для мониторинга состояния окружающей среды г. Чайковский.
5. Коэффициент корреляции показал положительную зависимость между количеством фертильных и абортивных пыльцевых зерен.
6.Фертильность и абортивность пыльцевых зерен яблони и липы микрорайонов, произрастающих на улицах микрорайонов «Заря» и «Парковый», показывают значения коэффициента вариации в пределах нормы, следовательно, условия среды обитания для растений не изменены.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что г.Чайковский
наблюдается загрязнение окружающей среды.
При выполнении учебно-исследовательской работы бала подтверждена гипотеза о том, что в условиях большой антропогенной нагрузки и загрязнения окружающей среды качество пыльцы будет снижаться.
Заключение
Полученные результаты исследований дают возможность проинформировать население о степени антропогенной нагрузки на улицы поселка «Основной» г.Чайковский.
В ходе работы над учебно-исследовательской работой мы: 1. Овладели методикой йодного метода анализа качества пыльцы. 2. Сравнили уровень антропогенной нагрузки на улицы и разные микрорайоныг.Чайковский. 3. Выявили возможности использования качества пыльцы яблони дикой Malussylvestris и липы сердцевидной Тiliacoradata для мониторинга состояния окружающей среды г. Чайковский. 4. Овладели методами математической обработки статистических данных.
В перспективе мы собираемся продолжить работу по биоиндикации окружающей среды города с использованием качества пыльцевых зерен. Нам интересно: исследовать зависимость между влиянием транспортной нагрузки и качеством пыльцевых зерен; сравнить данные фертильности и абортивности в течение 2-3 лет; проанализировать возможности использования других тест- растений для определения качества окружающей среды.
Данное исследование может быть использовано учителями и школьниками для работы на уроках природоведения, биологии и экологии при изучении загрязнения окружающей среды. Работу можно рекомендовать руководителям экологических и краеведческих кружков, клубов, преподавателям курса «Учебно-исследовательская деятельность школьников».
Выражаем благодарность учителю биологии Герасимовой Нине Кузьмовне за консультирование по выполнению и оформлению учебно-исследовательской работы.
Библиографический список
11. Овеснов С.А. Иллюстрированный определитель растений Пермского края [Текст]. С. А. Овеснов . Пермь: Книжный мир, 2007. — 747 с.
Электронные ресурсы
2. База знаний по биологии человека [Электронный ресурс]. Режим доступа:http://humbio.ru/humbio/- Загл. с экрана.
3.Коэффициент вариации [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://studfile.net/preview/5316293/page:3/- Загл. с экрана.
4.Коэффициент корреляции [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://investments.academic.ru/- Загл. с экрана.
5. Лабораторная работа. Оценка жизнеспособности растений по качеству пыльцы [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://урок.рф/library/- Загл. с экрана.
6.Климатические особенности лета 2019 г. в Пермском крае [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.pfo.meteorf.ru/news/2019 - Загл. с экрана.
7. Н. В. Крутских, О. В. Лазарева. Изучение качества пыльцы ALNUS INCANA КАК палиноиндикаторасосотояния компонентов природной среды [Электронный ресурс]. Режим доступа:http://igkrc.ru/assets/publication /- Загл. с экрана.
8. Особенности погоды в июне 2018г в Перми и крае [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://meteo59.ru/articles/- Загл. с экрана.
9. Особенности погоды в мае 2018г в Перми и крае [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://meteo59.ru/articles/- Загл. с экрана.
10. Состояние и охрана окружающей среды на территории Чайковского муниципального района в 2015 году. Отдел охраны окружающей среды и природопользования комитета градостроительства и развития инфраструктуры администрации Чайковского муниципального района [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://xn--80aafydcbdb8aegxk8f.xn--p1ai/gradostroitelstvo/ - Загл. с экрана, с.28.
11. Практикум по генетике. Учебное пособие сост. Самигуллина Н, С Кирина И. Б [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://window.edu.ru/catalog/ - Загл. с экрана.