Влияние фонового загрязнения природной среды на биоту методом лихеноиндикации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

гимназия №1404 «ГАММА»

Учебно-исследовательская работа

Влияние фонового загрязнения природной среды на биоту методом лихеноиндикации

Работу выполнила:

ученица 9класса

ГБОУ Гимназия

№ 1404 "Гамма",

Арафех Диана Рикардо

Руководитель:

учитель химии и биологии

Аптулина О.А

Москва 2017

Введение

Роль атмосферы в природных процессах очень велика. Чистый воздух необходим для жизни человека. Загрязнение воздуха отражается на состоянии здоровья людей. Вот почему необходим постоянный контроль состояния воздушной среды. В природе существуют живые организмы, которые могут служить биоиндикаторами загрязнённости атмосферы. Это в первую очередь лишайники. Объектом глобального мониторинга лишайники выбраны потому, что распространены повсеместно. Их реакция на внешнее воздействие очень сильна, а собственная изменчивость незначительна и чрезвычайно замедленна по сравнению с другими организмами. Из всех экологических групп лишайников наибольшей чувствительностью обладают эпифитные лишайники, то есть лишайники, растущие на коре деревьев. Из компонентов загрязнённого воздуха на лишайники самое отрицательное влияние оказывает оксид серы IV (SO₂). Помимо него на лишайники губительно действуют оксиды азота, оксиды углерода. Лишайники чувствительны к загрязнению воздуха по следующим причинам:

· у них отсутствует непроницаемая кутикула, благодаря чему газообмен происходит через всю поверхность;

· большинство токсических газов концентрируется в дождевой воде, а лишайники впитывают её всей поверхностью таллома;

· лишайники не способны избавляться от поражённых ядовитыми веществами частей своего тела каждый год;

· лишайники обладают способностью к росту и при температуре ниже нуля градусов

Таким образом, лишайники являются интегральным индикатором состояния воздушной среды.

Цель исследования:

Оценка чистоты атмосферного воздуха в парке Сокольники (территория гимназии «Гамма»)

Задачи исследования:

1. Выявить основные источники загрязнения воздуха в парке.

2. Определить величину проективного покрытия лишайниками деревьев в парке.

3. Выяснить, какие лишайники растут на деревьях.

4. Сравнить результаты исследований на различных площадках и в разные периоды времени.

Объект исследования:

Исследования проводились в парке Сокольники, прилегающей к гимназии Гамма.

Парк находится на территории ВАО Сокольники. С востока его огибает дорога с движением 1 - 2 машины в час. С этой же стороны в 500 метрах от парка проходит автотрасса. Средняя интенсивность движения транспорта по ней в течение года около 900 машин в час, движение резко возрастает в конце весны, летом, в первой половине осени. С севера и с юга расположен жилой массив.

Парк является местом отдыха многих горожан и гостей столицы поэтому чистота воздуха в парке имеет большое значение для их здоровья.

Исследования проводились с 11 по 30 октября 2016 года и с 1 по 10 декабря 2016.

Глава 1. Теоретическая часть

1. Строение лишайников, влияние загрязнения на их состояние

Лишайники(Lichenophyta Lichenes). Загадочный сфинкс природы, который удивил выдающегося физиолога К. А. Тимирязева, но и удивляет современных ученых.

В конце ХVЙII - начале ХЙХ возникла наука о лишайниках - лихенология. Ее основоположником считается шведский ученый А. Э. Ахариус.

Двойная природа лишайников была установлена 1867 году русскими учеными А. С. Фаминициным и С. А. Баранецким (11). Немецкий ботаник С. Шведенер в своих работах так же описал биологию «двойных организмов», а русский ученый А.Н.Бекетов предложил термин «лишайник » для обозначения этих организмов.(6)

Лишайниками называют ассоциации между грибами и водорослями. С грибами сожительствуют как зеленые водоросли, так и циана - бактерии.

Лишайники представляют настолько устойчивое сочетание, что это позволяет их рассматривать и систематизировать как единый организм (4). Форму лишайника определяет гриб. Грибы, которые участвуют в лишайниковом симбиозе, относятся к классу сумчатых или базидиальных, а водоросли - из типа зеленых (хлорелла, кладофора, препрококус и др.) (6)

Водоросли и циана - бактерии встречаются и в свободном состоянии. Лишайниковые грибы, как правило, сосуществуют только в симбиозе с автотрофами.

При разделении фотосинтезирующего и грибного компонентов гриб образует колонии, совершенно не похожие на симбиотический организм. А водоросли или циана - бактерии быстрее растут в свободном состоянии, (4). Гриб обеспечивает водоросль водой и растворенными в ней минеральными веществами, а также ферментами. Водоросль вырабатывает в процессе фотосинтеза углеводы. На самом деле это партнерство представляет собой контролируемый паразитизм гриба на автотрофе (поурочные разработки). Гриб имеет гаустории, специализированные паразитические гифы. Апрессории плотно прилегая к поверхности клеток водорослей, внедряют в них свои выступы. Гриб первым берет под контроль фотосинтезирующего партнера (4).Бесцветная плотная ткань тела лишайника сплетена из нитей мицелия гриба, а среди них расположились водоросли.(9)

Тело лишайников представляет собой слоевище, не дифференцированное на органы Различают гомеомерный тип строения слоевища, когда клетки водорослей расположены без какого-либо порядка …и гетеромерный, когда слоевище состоит из нескольких слоеви водоросли расположены в одном слое. (11).

Пигменты, которые есть в теле лишайников, расцвечивают их в разные цвета: коричневый, красный, желтый, серый. Форма лишайников разнообразна, она похожа на корзиночки, листочки, кустики и т.д. «Среди жизненных форм лишайников различают: 1) накипные - слоевище имеет вид тонкой или толстой корочки; 2) листовые - слоевище имеет вид пластинок; 3) кустистые - слоевище имеет вид кустиков или свисающих «бород» (8), нитчатые,у которых тело имеет вид нитей (12). Размножаются эти организмы, подобно грибам спорами, которые образуются в плодовых телах- перитециях и апотециях.(10) Апотеции дисковидной формы расположены на поверхности таллома,а перитеции- кувшинообразной формы погружены в таллом. Вегетативное размножение осуществляется соридеями и изидиями. Соридии и изидии- это в сущности лишайники в миниатюре, а споры- это лишь орган воспроизведения его грибной части.(6). Лишайники живут по всему миру. Не страшась пятидесятиградусных морозов, они дальше всех растений проникают на север, выдерживают иссушающую жару в пустынях Африки и Азии, прекрасно чувствуют во влажных тропических лесах и на голых скалах. (7).

Лишайники не только самые неприхотливые, но и самые медленно растущие на Земле. Порой они вырастают в год на два - три миллиметра. Зато живут долго (3). Этому способствует способность лишайников очень быстро высыхать. Фотосинтез прекращается и наступает покой, который позволяет выдерживать сильные солнечные процессы до первого увлажнения.

Большую часть минерального питания лишайники улавливают из воздуха и дождевой воды,. Поглощение идет очень быстро и сопровождается концентрированием веществ (4). Поступление воды в тело происходит по физическим законам, по- этому лишайники часто сравниваются с фильтром. Техногенную эру лишайники встретили болезненно. Очень быстро эвакуируются из городов: газ, пыль, дым. Сохраняются только километров за 10-15, смотря по степени загазованности воздуха (7). При повышении концентрации соединений металлов в воздухе идет возрастание их содержания в слоевищах лишайников. Лишайники используют для наблюдения за распространением в атмосфере более 30 элементов: лития, калия цинка, свинца, ртути и другие.(1). При приближении к источнику загрязнения слоевище лишайников становится толстым, утрачиваются плодовые тела.

Дальнейшее загрязнение атмосферы приводит к тому, что лопасти лишайников окрашиваются в беловатый цвет, коричневый или фиолетовый цвет, их талломы сморщиваются и растение погибают (1).

Они чувствительны к загрязнению среды, в силу следующих причин: 1) у лишайников отсутствует непроницаемая кутикула, благодаря чему обмен газов происходит свободно через всю поверхность; 2) большинство токсических газов концентрируется в дождевой воде, а лишайники впитывают воду всем слоевищем; 3). лишайники обладают способностью к росту и при температуре ниже 0 С. (практикум по экологии).

Наиболее чувствительна в талломе лишайников водоросль.

Наиболее резко лишайники реагируют на сернистые газ SO. Он самый распространенный загрязнитель воздуха, выделяется при сжигании органического топлива, предприятиями металлургической и химической промышленности. Концентрация этого газа 0,5 мг/м губительна для всех видов лишайников На частоту встречаемости этих организмов влияет кислотность субстрата. На коре, имеющей нейтральную реакцию, лишайники чувствуют себя лучше, чем на кислом субстрате.

Высокая чувствительность лишайников к химическим примесям в воздухе послужила основой их использования в качестве биологических индикаторов загрязнения среды (2). Были выявлены следующие закономерности: чем сильнее загрязнен воздух, тем меньше встречается видов лишайников; чем сильнее загрязнен воздух, тем меньшую площадь покрывают они на стволах деревьев; при повышении загрязненности воздуха первыми исчезают кустистые, за ними - листоватые, последними- накипные лишайники. Наиболее чувствительны к загрязнению воздушной среды кустистые и листовые лишайники (исчезают полностью), наименее - накипные (8).

Лишайники - это эволюционно молодой организм. На сегодняшний день у этих организмов процесс эволюции к необратимой форме не завершен. Сохранилась возможность независимого существования обоих партнеров и сохранилась форма возникновения организмов заново (4).

Методика исследований:

1.Для определения качества воздушной среды я использовала метод лихеноиндикации А.В. Пчёлкина и А. В. Боголюбова. Лихеноиндикация - это метод биоиндикации, в котором биоиндикаторами являются лишайники. В основу методики оценки относительной численности эпифитных лишайников положен метод линейных пересечений, который заключается в наложении гибкой ленты с миллиметровыми делениями на поверхность ствола дерева с фиксированием всех пересечений её со слоевищами лишайников. После выбора модельного дерева на стволе отмечают точку на нужной высоте с северной стороны. На ствол накладывается мерная лента с делениями таким образом, чтобы ноль шкалы совпадал с выбранной точкой, а возрастание чисел на шкале соответствовало движению по часовой стрелке (с севера на восток). Совмещая последнее деление и ноль ленты, определяется длина окружности ствола, которая при дальнейших исследованиях принимается за 100% (Приложение 1)

Осенью я исследовала две площадки по десять деревьев (9 берёз и 1 тополь) в западной части парка (площадка №1) и в восточной (площадка №2). Измерения проводились на четырёх высотах: 60, 90, 120, 150 см.

Зимой я исследовала те же две площадки. Измерения проводились на высотах: 60, 90, 120, 150 см.

По завершении измерений были проведены расчеты проективного покрытия лишайников на основе линейных пересечений, которые определяют отношение «заросшей» лишайниками части ствола к общей поверхности.

2. При определении лишайников установили субстрат, на котором они собраны, тип таллома. Пользуясь ключом (1), определи род и вид. Для определения вида использовали микроскопические и химические методы. Лезвием безопасной бритвы сделали срез таллома, поместили его на предметное стекло и рассмотрели его под электронным микроскопом. Видимое сравнили с рисунками (1, стр. 97 - 98). Для более точного определения использовали химические реактивы: 10% раствора КОН и 10% спиртовой раствор йода, которыми действовали на корковый слой, сердцевину таллома и на срезы.

Как повлияют на эти организмы сернистый газ, хлор, аммиак, вещества, входящие в состав выбросов химических производств? Это выяснили с помощью эксперимента (трехкратная повторность).

3.Для получения сернистого газа использовали сульфит натрия и серную кислоту, хлора - перманганат калия и соляную кислоту, 5% раствор аммиака. В сосуды насыпали равные количества сульфата, перманганата. На пробирки надели сосуды донышком вверх так, чтобы пробирка касалась дна. Колбу перевернули и вынули пробирку. Рядом с веществом осторожно установили тигелёк (в первой колбе с серной кислотой, во второй с соляной кислотой).

Взяли представителей трех типов лишайников - накипные, листоватые, кустистые, обвязали их ниткой, опустили в колбы таким образом, чтобы лишайники висели, не соприкасаясь с реактивами. Колбы закрыли пробками так, чтобы нитки оказались между пробкой и горлышком колбы. Пробку изолировали пластилином. Резким движением колбы опрокидываем тигелек, отмечаем время начала химической реакции. Через сутки вынули лишайники и сравнили с контролем. Устойчивость к аммиаку определяли с помощью, увлажненной 5%-ным аммиаком гигроскопической ваты.

Результаты исследований:

1.1

Осень 2016года.

1. Среднее значение проективного покрытия лишайников на четырёх высотах у тополя на площадке №1 составило 47,2%, у берёз - 3,1%. Среднее значение на четырех высотах у всех деревьев - 7,45 %.

2. Среднее значение проективного покрытия лишайников на четырёх высотах на площадке № 2: тополь - 34,975%, берёза - 2, 36%, все деревья - 5,62%.

3. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 60 см на площадке №1: тополь - 91, 5%, берёза - 6, 95%, все деревья -15,4%.

4. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 60 см на площадке №2: тополь - 51,1 %, берёза - 5,7%, все деревья - 10,24%.

5. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 90 см на площадке №1: тополь - 85,7%, берёза - 2,24%, все деревья - 10,6 %.

6. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 90 см на площадке №2: тополь - 49,2%, берёза - 2,84%, все деревья - 7,48%.

7. Среднее значение проективного покрытия на высоте 120 см на площадке №1: тополь -10,4%, берёза -1,75%, все деревья -2,62 %.

8. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 120 см на площадке №2: тополь - 38,9%, берёза -0,56%, все деревья - 4,39%

9. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 150 см на площадке №1: тополь- 1,2%, берёза - 1, 46%, все деревья - 1,43%.

10. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 150 см на площадке №2: тополь - 0,8%, берёза - 0,34%, все деревья - 0,39%.

11. На обеих площадках встречаются накипные лишайники из рода леканора и листоватые из родов пармелия и ксантория.

Декабрь 2016года.

1. Среднее значение проективного покрытия лишайников на четырёх высотах у тополя на площадке №1 составило 43,85%, у берёз - 2.9%. Среднее значение на четырёх высотах у всех деревьев -6,96%.

2. Среднее значение проективного покрытия лишайников на четырёх высотах на площадке №2: тополь - 34,3%, берёза - 1,54%, все деревья - 4,82%.

3. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 60 см на площадке №1: тополь - 89, 4%, берёза - 2,9%, все деревья -11,56%.

4. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 60 см на площадке №2: тополь - 49,1%, берёза - 2,47%, все деревья -7,13%

5. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 90 см на площадке №1: тополь -75,8%, берёза - 1,2%, все деревья -8,66%.

6. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 90 см на площадке №2: тополь - 48,8%, берёза - 0,45%, все деревья -5,29%

7. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 120 см на площадке №1: тополь - 9,2%, береза - 1,5%, все деревья -2,27%.

8. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 120 см на площадке №2: тополь - 37,3%, берёза - 0,32%, все деревья - 4,02%.

9. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 150 см на площадке №1: тополь - 1,2%, берёза - 1,18%, все деревья -1,18 %

10. Среднее значение проективного покрытия лишайников на высоте 150 см на площадке №2: тополь -0,8%, берёза - 0%, все деревья - 0,08%.

11. На обеих площадках встречаются накипные лишайники из рода леканора и листоватые из родов пармелия и ксантория.

По результатам исследований построены гистограммы зависимости проективного покрытия лишайников от высоты учётных площадок (осень 2016, декабрь 2016) (Приложение 2, 3, 4).

2.2 Определение видов лишайников

Сравнивая характерные признаки выявленных лишайников с данными приведенными в определительных таблицах определили следующие виды лишайников из родов- Уснея (Уснея жесткая), Цетрария (Цетрария заборная), Фисция (Фисция серо-голубая), Пармелия (Пармелия козлиная), Ксантория (Ксантория постенная).

а б

Фото 1 Виды лишайников: а) Кладония, б) Ксантория



а б

Фото 2 Микропрепараты лишайников: а) накипный, б) кустистый.

3.3 Экспериментальное определение устойчивости лишайников к сернистому газу, хлору, аммиаку

А. Определение устойчивости к сернистому газу

Для получения сернистого газа провели химическую реакцию между сульфитом натрия и серной кислотой.

Na₂SO₃ + H₂SO₄ = SO₂ + Na₂SO₄ + H₂O

Получили следующие результаты. Произошло небольшое изменение цвета таллома у кустистых и листоватых лишайников, но их слоевище при прикосновении рассыпалось, а у накипного слоевище стало черного цвета (фото 3).

загрязнение атмосферный воздух деревья лишайники

Фото 3 Влияние сернистого газа

Б. Определение устойчивости к хлору

Хлор выделяется рядом промышленных предприятий по производству моющих средств. В качестве источника хлора использовали соляную кислоту. Действовали ею на перманганат калия.

2KMnO₄ + 16HCl = 5Cl₂ + 2 KCl + 2MnCl₂ + 8H₂O

Результат следующий: у кустистых и листоватых лишайников цвет таллома изменился, они стали белыми, у накипных изменений не обнаружили, Ксантория из ярко - оранжевой превратилась в светло - коричневую.

Фото 4 Влияние хлора

В. Определение устойчивости к аммиаку

Аммиак в небольших количествах присутствует в выбросах многих предприятий. В природные обстановки - это продукт распада органических веществ: он выделяется из почвы. Особенно большое количество аммиака образуется при распаде мочи животных в больших животноводческих комплексах.

Сравнивая результаты эксперимента с контролем обнаружили изменения у всех типов лишайников. Их таллом стал коричневым, а у накипного появились коричневые вкрапления.

Фото 5 Влияние аммиака

Выводы:

1. Результаты исследований свидетельствуют о том, что встречаемость лишайников у основания дерева на обеих площадках составила менее 50%, на высоте 150см лишайники почти отсутствуют, средняя величина общего проективного покрытия менее 10%. Это указывает на умеренную загрязнённость воздуха. Я думаю, что это связано с выбросами выхлопных газов автомобилями, движущимися по автотрассе

2. Величина проективного покрытия лишайников на площадке №1 больше, чем на площадке №2. Она находится дальше от дороги

3. Исследования, проведённые в декабре, показывают, что среднее значение проективного покрытия лишайников на площадках №1 и №2 уменьшилось. Существует такая закономерность, чем меньше площадь проективного покрытия, тем сильнее загрязнён воздух. Следовательно, воздух в парке стал грязнее. Я думаю, это вызвано тем, что в осенний период резко возрастает поток машин, движущихся по автотрассе 4. Каждому уровню загрязнения атмосферной среды соответствует свой набор видов лишайников. Чем сильнее загрязнен воздух, тем меньше в нём видов лишайников. При повышении загрязнённости воздуха первыми исчезают кустистые лишайники, за ними листоватые, последними накипные. На обеих площадках на тополе встречаются накипные лишайники из рода леканора и листоват3ые из рода ксантория. На берёзе растут накипные лишайники из рода леканора и листоватые из рода пармелия.

По шкале выживаемости лишайников я определила, что содержание оксида серы в атмосферном воздухе парка составило 0,05- 0,2 мг/м³.

Эксперимент показал, что все типы лишайников будут подвержены изменению так, как: а) сернистый газ вызвал полный некроз у кустистых и листовых лишайников, более устойчив накипной; б) к наличию хлора чувствительны листовые и кустистые лишайники; в) в аммиачной среде у всех типов лишайников наблюдаются некрозные пятна.

Рекомендации

Главная рекомендация по снижению уровня загрязнения атмосферного воздуха состоит в том, что необходимо снизить величину транспортного потока на автотрассе

Перспективы

В дальнейшем я продолжу свои исследования, осуществив повторные измерения численности лишайников на этих же площадках и на других. Я хочу составить лихеноиндикационную карту территории парка Сокольники на основе вычисления индикационных индексов.

Литература

1. Ашихмина Т. Я. Школьный экологический мониторинг М, изд. АГАР 2000.

2. Горышина Т.К. Экология растений М, высшая школа, 1979

3. Дмитриев Ю.Д. и др. Книга природы М, Детская литература, 1990

4. Илларионов Э.Ф. Поурочные разработки по биологии. М, Вако, 2003

5. Новолодская Е.Г. Эколого - валеологический мониторинг. Биология в школе. №6. 2006

6. Рохлов В. И др. Занимательная ботаника: М:, АСТ - Пресс, 1998

7. Смирнов А. Мир растений. М: Молодая гвардия, 1982

8. Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды. М, Владос,2000

9. Энциклопедический словарь юного натуралиста. М, Педагогика, 1981

10. Большой энциклопедический словарь. Биология. М.: БРэ, 1998

11. Электронное издание «1С: Репетитор. Биология»

Приложение 1

Фото 6.Измерение проективного покрытия лишайников на берёзе

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 4

Таблица 1

Определение родов и видов лишайников

Вид таллома	Описание лишайника	Действие КОН	Действие ИОД	Род	Вид
кустистый	серовато-зеленые кустики, есть осевой стержень. На веточках нет сосочков, длина кустика 3,5 см.	цвет сердцевины не изменяется	---------	Уснея	Уснея жесткая
листоватый	оранжевые розетки, лопасти выемчато-изрезанные, диаметр розетки 2.8 см.	слоевище краснеет	----------	Ксантория	Ксантория постенная
листоватый	слоевище 3 см в диаметре темно-коричневого цвета, лопасти поднимающиеся.	-------------	-------------	Цетрария	Цетрария заборная
листоватый	диаметр розетки 6 см,голубовато-серого цвета со слабым беловатым налетом	сердцевина стала желтой	------------	Фисция	Фисция серо-голубая
листоватый	розетка 5 см диаметром, плотно прилегает к коре березы, лопасти 2 мм шириной, их края зубчато-надрезанные, верх таллома коричневатый	изменений нет	-----------	Пармелия	Пармелия шероховатая

Таблица 5

Оценка лишайникового покрова

Объект /субстракт	Степень покрытия лишайниками пробных площадок %	Средний показатель, %	Балл
	1 (н)	2 (н)	3 (в)	4 (в)
листоватые лишайники
береза 1	85	60	90	66	75,25	5
2	100	90	95	84	92,05	5
3	100	96	100	90	96,5	5
4	76	60	98	86	80	5
5	98	95	80	75	87	5
6	95	80	90	90	88,75	5
7	100	90	100	90	95	5
8	98	95	100	86	97,75	5
9	86	86	84	75	82,75	5
10	80	60	75	66	70,25	5
11	90	65	60	55	68,5	5
12	80	78	60	44	65,5	5
накипные лишайники
береза 1	60	45	60	40	51,2	4
2	68	50	70	35	55,75	4
3	55	40	50	20	41.25	4
4	62	50	55	38	51,2	4
5	58	48	60	20	46,5	4
6	52	44	40	28	41	4
7	60	52	58	42	53	4
8	65	50	60	30	51,2	4
9	70	60	100	50	70	5
10	50	45	65	38	49,5	4
11	60	48	54	40	50,5	4
12	45	36	50	0	32,75	3
кустистые лишайники
береза 1	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0
3	0	0	0	0	0	0
4	0	0	0	0	0	0
5	100	80	0	0	45	4
6	35	20	30	0	21,25	3
7	0	0	0	0	0	0
8	0	0	40	10	12,5	2
9	20	12	35	15	20,5	3
10	20	0	42	18	20	3
11	30	0	30	22	20,3	3
12	45	10	30	0	21,25	3

Размещено на Allbest.ru

...