Оценка экологического состояния воздушной среды некоторых районов г.Михайловска по флуктуирующей ассиметрии листьев березы повислой (Betula pendula)
В работе проведена оценка загрязнения воздуха ряда районов города Михайловска с использованием общедоступной и перспективной методики по изучению отклонений морфологического строения листовой пластинки Березы повислой. В работе решаются следующие задачи: изучены особенности использования растений в качестве биоиндикаторов; определена степень загрязнения атмосферного воздуха в районах г.Михайловска по степени асимметрии различных параметров листьев березы повислой. Работа имеет большую практическую значимость, т.к. метод можно применить службам надзора за экологическим состоянием атмосферы. Работа выполнена на 24 страницах, включает следующие разделы: введение, литературный обзор, описание места и методик исследования, представление результатов исследования, выводы, библиографический список, приложения.
Введение Растительность как компонент окружающей среды, тесно взаимодействуя с водой, воздухом, почвой, участвует в поддержании равновесия биосферы и отдельных экосистем. Важнейшим показателем состояния природной среды является состав атмосферного воздуха, который определяет условия жизни людей и всех живых организмов. Усиление антропогенной деятельности изменяет воздушную среду, особенно в городах, что не может не сказываться на состоянии здоровья человека. Система наблюдений за состоянием окружающей среды и соответствующих прогнозов составляет суть экологического мониторинга. В этих целях все чаще применяется достаточно эффективный и недорогой способ мониторинга среды – биоиндикация, т. е. использование живых организмов для оценки состояния окружающей среды. Целью работы явилось определение степени загрязнения воздуха в некоторых районах г. Михайловска с помощью флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой или бородавчатой (Вetula pendula) Задачи: 1. Изучить особенности использования растений в качестве биоиндикаторов. 2. Определить степени загрязнения атмосферного воздуха в некоторых районах г.Михайловска по степени асимметрии различных параметров листьев березы повислой. Новизна работы: новым доступным для школы методом получены данные по загрязнению воздуха на территории города. Практическая значимость: метод можно применить службам надзора за экологическим состоянием атмосферы. Объект исследования: листья берёзы на исследуемых участках Предмет исследования: влияние качества воздушной среды на развитие листьев берёзы. 1. Обзор литературы 1.1. Биологический контроль окружающей среды Возрастающая с каждым годом деградация природной среды под влиянием антропогенных загрязнений создает угрозу выживаемости человечества. Современные технические средства контроля состояния окружающей среды, разработанные в первую очередь для оценки степени загрязненности в промышленных условиях, – не единственные способы определения состояния природной среды. Биоиндикация в этом плане является оптимальным и активно развивающимся методом ее оценки. Он подразумевает слежение за природными и антропогенными процессами в биологических средах, включающее всю совокупность взаимодействия живого с агентами внешней среды, в том числе выяснение ответных реакций биосред на природные и антропогенные воздействия (Шуберт, 1988). Объектами исследования в данном случае выступают биоиндикаторы -организмы, присутствие или интенсивность развития которых служит показателем изменений каких-либо естественных процессов или условий в окружающей среде. Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого (биологические молекулы, клетки, ткани, органы, организмы и популяции). Когда в качестве индикаторов используют растения, то такая биоиндикация называется фитоиндикацией. В современной науке имеются возможности использования некоторых видов живых организмов для определения степени загрязнения окружающей среды. Такие виды называют биоиндикаторами. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы. Биологические методы экологических оценок региональных биот помогают диагностировать негативные изменения в природной среде при низких концентрациях загрязняющих веществ. Особую значимость имеет то обстоятельство, что биоиндикаторы отражают, как правило, допороговую степень опасности соответствующего состояния окружающей среды для всех живых организмов (Левич , 2004; Захаров, 2000).
1.2. Общие принципы использования биоиндикаторов Состояние биологической системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на неё природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки. Биоиндикаторы – организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателем естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причём амплитуда колебаний физической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы – условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью. В качестве объектов для биоиндикации применяются разнообразные организмы – бактерии, водоросли, высшие растения, беспозвоночные животные, млекопитающие. Для гарантированного выявления присутствия в природных средах токсичного агента неизвестного химического состава, как правило, используется, набор объектов, представляющих различные группы сообщества. Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальными скоростью отклика и выраженностью параметров. При этом используемые виды с биоиндикаторными свойствами должны удовлетворять следующим требованиям: быть характерными для данного региона; характеризоваться распространением на всей изучаемой территории; иметь четко выраженную количественную и качественную реакцию на отклонение свойств среды обитания от экологической нормы; биология таких видов должна быть хорошо изучена, а их популяции многочисленны. Изменения биоиндикаторно значимых показателей зависят от комплекса антропогенных и естественных факторов среды. Признание значимости биоиндикации существенно увеличило интерес к данному направлению экологического мониторинга. Виды-биоиндикаторы своими изменениями суммируют биологически важные данные об окружающей среде, позволяют не применять дорогостоящие и трудоемкие физические и химические методы для измерения ее параметров; вскрывают скорость происходящих в природной среде изменений; указывают пути и места скопления в экологических системах различного рода загрязнений; позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для природы и человека; помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы (Каплин, 2001).
1.3. Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов Растения – крайне важный и интересный объект для характеристики состояния окружающей природной среды. Важность оценки состояния природных популяций растений состоит в том, что именно растения являются основными продуцентами, их роль в экосистемах трудно переоценить. Растения – чувствительный объект, позволяющий оценивать весь комплекс воздействий, характерный для данной территории в целом, поскольку они ассимилируют вещества и подвержены прямому воздействию одновременно и двух сред: из почвы и из воздуха. В связи с тем, что растения ведут прикреплённый образ жизни, состояние их организма отражает состояние конкретного локального места обитания. Удобства использования растений состоит в доступности и простоте сборов материала для исследования. Листья с одного растения лучше хранить отдельно, для того, чтобы в дальнейшем можно было проанализировать полученные результаты индивидуально для каждой особи. Все листья, собранные для одной выборки, сложить в полиэтиленовый пакет, туда же вложить этикетку. В этикетке указать номер выборки, место сбора (делая максимально подробную привязку к местности), дату сбора. При выборе растений нужно учитывать четкость определения принадлежности растения к исследуемому виду, условия произрастанию особи и возрастное состояние растения. Для оценки стабильности развития растения можно использовать любые признаки по различным морфологическим структурам, для которых возможно нормальное значение и соответственно учесть степень отклонения от него. Предпочтительным в силу простоты и однозначности интерпретации является учёт асимметрии исследуемых структур, которые в норме являются симметричными. Методы фитоиндикации по сравнению с физико-химическими методами позволяют интерпретировать данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока). Физико-химические методы не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации различных веществ разработаны лишь для человека. Эти показатели не могут быть распространены на живые объекты. С точки зрения охраны природы важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает фитоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, а в частности фитоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды. Помимо того, актуальность фитоиндикации обусловлена простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды, поскольку в этом случае не требуются специальные лаборатории и высокая квалификация персонала. Фитоиндикация нередко точнее и объективнее, чем использование прямых физических и химических методов. Последние оценивают среду одномоментно, не отражают максимальные и минимальные значения отдельных неблагоприятных факторов в их воздействии на живые организмы, игнорируют их сочетания, тогда как фитоиндикация интегрирует все химические и физические стрессовые факторы и наиболее информативна при социально-гигиенических оценках пригодности природной среды для человека. Преимущество использования растений состоит и в том, что они неподвижны. Биоиндикация растений в условиях техногенного загрязнения-актуальный и перспективный метод исследования состояния окружающей среды. Она позволяет существенно повысить точность прогнозов изменений в окружающей среде, вызванных деятельностью человека. Биоиндикаторы в полной мере отражают степень опасности соответствующего состояния окружающей среды для всех живых организмов, в том числе и для человека. Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Но, отражая степень негативного воздействия в целом, биоиндикация не объясняет, какими именно факторами оно создано. Следовательно, наиболее эффективно оценка окружающей среды может производиться сочетанием физических, химических и биологических методов мониторинга.
1.4. Растения – биоиндикаторы С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, хвойные виды растений особенно сильно страдают от сернистого газа. Чувствительность к нему у этих видов убывает в такой последовательности: ель, пихта, сосна, лиственница. Продолжительность жизни хвои сосны в зонах сильного загрязнения сернистым газом составляет один год, тогда как в норме – 3-4 года. Путем учета продолжительности жизни хвои и характера некрозов можно определить степень поражения хвойных насаждений сернистым газом; важным критерием является также содержание хлорофилла (Шульц, 1992). Хорошими индикаторами степени загрязнения окружающей среды по сернистым и азотистым выбросам могут служить травянистые виды растений, – например, люцерна, клевер, гречиха, овес, подсолнечник, различные виды мятликов и др. (Безель, 2007) Гладиолусы особо чувствительны к фторидам. Эти растения можно широко использовать для оценки загрязненности воздуха указанными веществами, тем более что они обладают повышенной устойчивостью к другому широко распространенному фитотоксиканту – сернистому газу. По мере увеличения концентрации фтора в воздухе верхняя часть листьев гладиолусов отмирает (Безель, 2007). При избытке кобальта и свинца наблюдается ненормальное развитие лиственницы. Аномалия проявляется в виде неоднократного появления шишек (2-3 раза за сезон). Способность низших растений аккумулировать тяжелые металлы широко используется при составлении карт загрязненности городов и территорий, примыкающих к автострадам (Кулагин А.А, 2005). Культурные растения под влиянием смога резко снижают урожайность: бобы – на 25%, а помидоры – на 33%. Между степенью повреждения растений от загрязнений (некроз, ожоги листьев, хлороз) и величиной урожая существует вполне определенная количественная связь. Таким образом, культурные растения могут выступать в роли индикаторов загрязненности окружающей среды смогом (Виноградов, Б.В., 1993). Чрезвычайно чувствительно к выхлопным газам автомобилей комнатное растение традесканция. Ученые подметили, что окраска ее тычинок меняется из синей в розовую при увеличении в воздухе окиси углерода и окислов азота, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания (Виноградов, Б.В., 1993)
1.5. Флуктуирующая ассиметрия как один из способов оценки экологического состояния исследуемых объектов Наиболее доступная и широко применяемая морфогенетическая мера нарушения стабильности развития - флуктуирующая асимметрия как результат неспособности организма развиваться по точно определенным путям. Под флуктуирующей асимметрией понимают мелкие ненаправленные отклонения от симметричного состояния (Захаров, 1987). Существует теория о том, что различие между левой и правой половинами листа коррелирует со степенью общей нарушенности окружающей среды. В основу методики, используемой при выполнении данной исследовательской работы, положена теория «стабильности развития» («морфогенетического гомеостаза»), разработанная российскими учеными А.В. Яблоковым, В.М. Захаровым и др. в процессе исследований последствий радиоактивного заражения, в том числе после Чернобыльской аварии. Эти ученые доказали, что стрессирующие воздействия различного типа вызывают в живых организмах изменение гомеостаза (стабильности развития). Главными показателями изменения гомеостаза морфогенетических процессов являются показатели флуктуирующей асимметрии – ненаправленных различий между правой и левой сторонами различных морфологических структур, в норме обладающих билатеральной симметрией. Такие различия являются результатом ошибок в ходе развития организма. При нормальных условиях их уровень минимален, возрастая при любом стрессирующем воздействии, что приводит к увеличению асимметрии. Оценка флуктуирующей асимметрии билатеральных организмов хорошо себя зарекомендовала при определении общего уровня антропологического воздействия В рамках данного исследования была проведена оценка стабильности развития (степень флуктуирующей асимметрии) на примере листьев березы.
2. Место и методика исследования В результате наших исследований было отобрано три пробы с площадок, расположенных: Площадка №1 - на улице Гагарина в районе хлебокомбината, в непосредственной близости от оживленной автодороги; Площадка №2 - на улице Пушкина, у детского сада №20, в непосредственной близости от оживленной автодороги; Площадка №3 - на улице Пушкина, у храма вдали от оживленной дороги. В качестве объекта для исследования использовали берёзу повислую (Betula pendula). Данный объект в полной мере удовлетворяет вышеперечисленным требованиям: вид характерен для изучаемого района; распространен на всей его территории; имеет четко выраженную реакцию на отклонение свойств среды обитания от экологической нормы; биология березы повислой хорошо изучена, популяции многочисленны. На каждой площадке было отобрано по 20 листьев. Отбирались листья с растений, находящихся в примерно одинаковых условиях по уровню освещенности, влажности. Сбор листьев. При сборе материала для биоиндикационных исследований следует учитывать следующие правила: в качестве модельного объекта выбирается обычные, широко распространенные виды, в данном случае Береза бородавчатая. Начинать сбор материала необходимо после завершения интенсивного роста листьев, что примерно соответствует концу июня и до их опадания осенью. Листья отбирались случайным образом с веток, по возможности, без повреждений, брались с нижней части кроны на уровне поднятой руки с максимального количества доступных веток, при этом старались задействовать ветки разных направлений, условно с севера, юга, востока и запада. Листья брали примерно одного размера. Листья с одной площадки складывали в полиэтиленовые пакеты для транспортировки в школу. Каждый пакет (выборка) снабжались этикеткой, на которой указывали место сбора. Исследования проводились в осенний период 2015 года. Ход работы: Для определения асимметрии листовой пластины снимали промеры слева и справа от главной жилки листа по признакам: 1 - ширину левой и правой половинок листа; 2 - длину жилки второго порядка, второй от основания листа; 3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; 4 - расстояние между концами этих жилок; Данные показатели измеряли с помощью линейки и выражали в см; 5 - угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка. Этот показатель измеряли с помощью транспортира и выражали в градусах. При вычислении асимметрии листовой пластины, находили модуль разности между промерами слева (L) и справа® делили на сумму этих же промеров: (L-R) / (L+R). Вычисляли показатель стабильности развития (асимметричности) для каждого листа. Для этого суммировали значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делили на число признаков.
Используя приведенную ниже таблицу 1, можно определить степень загрязнения воздуха.
3. Результаты исследования Результаты исследования приведены в таблицах 2-4
Рассчитав показатель асимметричности для каждой площадки в отдельности, мы сравнили полученные значения и сделали выводы о большем или меньшем отклонении той или иной площадки от нормы (таблица 5).
По результатам исследования видно, что сильное и экстремальное загрязнение воздуха наблюдается в местах непосредственной близости популяций березы от автомобильных дорог (площадки 1 и 2). Но экстремальное загрязнение воздуха выявлено у дороги с гораздо менее оживленным движением автотранспорта, т.е. с менее выраженным явным антропогенным воздействием. Можно предположить, что популяция березы на этой площадке испытывает неизвестное нам дополнительное стрессовое воздействие, которое усиливает отклонение от нормального развития листовой пластинки. Возможно, на показатель стабильности развития листьев березы влияет и возраст популяции. Этот вопрос требует проведения дополнительных исследований.
Выводы Степень загрязнения атмосферного воздуха соответствует норме только в районе храма, который расположен вдалеке от оживленных дорог. Сильно загрязнен воздух в районах хлебокомбината и детского сада №20. Эти районы испытывают сильную антропогенную нагрузку. Различие между левой и правой половинами листа коррелирует со степенью общей нарушенности окружающей среды и результаты исследования показывают общий уровень воздействия экологических факторов на морфологию листовой пластинки березы. Отражая степень негативного воздействия на организм в целом, используемый метод не объясняет, какими именно факторами оно создано, но может быть использован для быстрой и простой оценки уровня загрязнения воздуха.
Библиографический список Безель, В.С., Жуйкова, Т.В. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов наземной фитомассой травянистой растительности // Экология. – 2007. Билич, Г. Л. Биология полный курс. Ботаника. - М. - 2004. Виноградов, Б.В. Биоиндикация в рамках геоэкологии // Биоиндикация в городах и пригородных зонах: Сб. науч. трудов. – М.: Наука, 1993. Вронский В. А. Прикладная экология. - Ростов-на-Дону - 1996. Гунар И. И. Практикум по физиологии растений. - М. -1972. Захаров В. М. Асимметрия животных. М.: Наука, 1987. Захаров В. М, Яблоков А. В. Анализ морфологической изменчивости как метод оценки состояния природных популяций. - М.: Наука, 2000. ЗахаровВ. М., Баранова А. С. Здоровье среды: методы оценки.- М.- 2000. Иванова Н.А. Титов Ю.В. Экология растений. -Томск - 2002. Каплин В. Г. Биоиндикация состояния экосистем.- Самара, 2001. Карташев А. Г. Биоиндикация экологического состояния окружающей среды. Томск - 1999. Кулагин, А.А. Древесные растения и биологическая консервация промышленных загрязнителей. – М.: Наука, 2005. Левич А. П., Булгаков Н. Г. Теоретические и методические основы технологии регионального контроля природной среды по данным экологического мониторинга.- М.- 2004. Машинский Л.О. Город и природа. - М. - 1973. Миркин Б.М. Современная наука о растительности. – М.: Логос, 2001 Розанов С. И. Общая экология. - М. - 2003. Шенников А. П. Экология растений. - М. - 1950. Шульц Х. Биохимическая индикация хвои – способ раннего распознавания эффектов повреждения // Биоиндикация и биомониторинг. - 1992.
