III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

БИОИНДИКАЦИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В РАЙОНЕ ОРЕНБУРГСКОГО ПРЕЗИДЕНТСКОГО КАДЕТСКОГО УЧИЛИЩА
Грузинский А.А.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Среди проблем окружающей природной среды загрязнение атмосферного воздуха занимает особое место. Это обусловливается несколькими причинами. Во-первых, исключительной важностью атмосферного воздуха для всего живого на Земле. Во-вторых, высокой чувствительностью атмосферы к антропогенным воздействиям и огромной подвижностью воздушных масс, с которыми могут перемещаться вредныепримеси[3].

В результате деятельности человека в атмосферу поступает большое количество различных антропогенных веществ, что ведет к изменению химического состава воздушной среды[4].

По данным Управления Федеральной службыпо надзору в сфере защиты прав потребителейи благополучия человека по Оренбургской области, в 2015 году в городах наибольший удельный вес проб атмосферного воздуха, превышающих гигиенические нормативы, составляет поазота диоксиду – 0,6 %, взвешенным веществам (пыль) – 0,5 %, фенолу–0,4 %, углерода оксиду – 0,18 %, серы диоксиду – 0,16 %.

В г. Оренбурге, где в основном размещены предприятия машиностроения с гальваническим производством, в воздушном бассейне города определяются повышенные содержания формальдегида, диоксида азота, хромового ангидрида, свинца, пыли.

Анализ загрязнения атмосферного воздуха на автомагистралях в селитебных территориях городов области по отдельным загрязнителям показал, что в 2015 году наибольший удельный вес проб атмосферного воздуха, превышающих гигиенические нормативы, составил по диоксиду азота – 1,7 %, взвешенным веществам (пыли) – 1,1 %, гидроксибензолу (фенол) – 0,5 %, серы диоксиду – 0,4 %, углерода оксиду – 0,3 % .

Повышенное содержание в атмосферном воздухе диоксида азота, взвешенных веществ, бенз(а)пирена, серы диоксида, бензола, оксида углерода, фенола, формальдегида и других соединений может вызвать развитие неблагоприятных эффектов здоровью населения со стороны органов дыхания, глаз, кроветворных органов, крови, иммунной, сердечно-сосудистой, мочеполовой систем, системы пищеварения, процессов развития и прочих[2].

Известно, что существуют растения индикаторы загрязненности окружающей среды, которые могут эффективно использоваться для мониторинга загрязнения атмосферного воздуха[6].

Целью исследования стало определение качества атмосферного воздуха в районе Оренбургского президентского кадетского училища методами биоиндикации.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  1. Изучить возможности растительной биоиндикации атмосферного воздуха.

  2. Описать особенности географического положения Оренбургского президентского кадетского училища и факторы, влияющие на состояние атмосферного воздуха над его территорией.

  3. Определить объекты растительной биоиндикации и обозначить их на плане территории училища.

  4. Оценить состояние индикаторного вида и качество атмосферного воздуха в районе училища с помощью методов биоиндикации.

Объекты исследования: атмосферный воздух в районе Оренбургского президентского кадетского училища; морфологические и количественные показатели организмов-индикаторов.

Предмет исследования: качество атмосферного воздуха в районе Оренбургского президентского кадетского училища.

Гипотеза: если изучить морфологические и количественные показатели организмов-индикаторов, можно оценить состояние атмосферного воздуха в районе Оренбургского президентского кадетского училища без использования дорогостоящих физико-химических методов.

Глава 1. Возможности растительной биоиндикации атмосферного воздуха.

Загрязняющие вещества, находящиеся в атмосферном воздухе, оказывают сильнейшее антропогенное воздействие на живые организмы, что приводит к сокращению их численности, видового разнообразия, развитию заболеваний. Поэтому чистота воздушного бассейна над городом требует постоянного контроля[1].

Оценку состояния воздушной среды можно проводить как физико-химическими методами, так и методами биоиндикации.Антропогенные загрязнения действуют на живые организмы, и в том числе на человека, в самых различных сочетаниях, комплексно. Их совместное влияние можно оценить только по реакции живых организмов или целых сообществ[5].

Иными словами, концентрациякаждого отдельного компонента комплекса загрязнителей, фиксируемаяс помощью физико-химических методов, может казаться неопасной дляживых организмов, тогда как их совокупное влияние бывает угрожающим. Этот синергизм не учитывается физико-химическими методамиизучения загрязненности природной среды, но выявляется при использовании биоиндикации[4].

Биоиндикация – обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания[5].

Живые объекты – открытые системы, через которые идет поток энергии и круговорот веществ. В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, генетических, морфологических и иммунных систем [5].

Биоиндикаторы – это виды живых организмов, которые в силу своих генетических, анатомических и поведенческих особенностей способны существовать в узком интервале определенного фактора, указывая свои присутствием на наличие этого фактора в среде.

Весьма важным элементом биомониторинга являетсярастительный мир, который отчетливо реагирует на загрязненность окружающий среды. Исследователи рассматривают растения какнаиболее чувствительные и надежные индикаторы загрязненности атмосферы[4].

Загрязнение воздуха, воды, почвы оказывает влияние на физиологические функции растений, их внешний облик, состояние, продолжительность жизни, генеративную сферу. Вещества-токсиканты адсорбируются на клеточных оболочках растений, проникают внутрь клеток, нарушают обмен веществ; в результате резко снижается фотосинтез, усиливается дыхание. Обычно признаки поражения растений токсикантами выражаются в некрозе края листа, побурении листьев и хвои, появлении уродств, отмирании. Пыль, оседающая на листья, действует как экран, снижающий доступ света и усиливающий поглощение тепловой радиации. Кроме того, возможна закупорка листьев пылевыми частицами. Загрязнение почвы и вод нефтепродуктами вызывает разные этапы повреждения растений - от отсутствия завязывания семян и отмирания отдельных органов до полной гибели.Среди растений есть виды, чувствительные к загрязнению среды, и есть более выносливые.

Наиболее газоустойчивы: туя западная, клен ясенелистный, бузина, тополь канадский, сирень амурская, снежноягодник белый, боярышник.

Достаточно газоустойчивы: барбарис, жимолость татарская, роза морщинистая, сирень венгерская, спирея, смородина золотистая, яблони ягодные и китайская, калина-гордовина, чебушник, ракитник, ель колючая.

Негазоустойчивы: ель, пихта, кедр, можжевельник, клен остролистный, береза, тополь бальзамический, сирень обыкновенная, черемуха обыкновенная[1].

Биологические методы контроля качества среды достаточно просты в исполнении, дешевы и позволяют вести контроль качества среды в непрерывном режиме.

Разумеется, биомониторинг не подменяет и не вытесняет физико-химических методов исследования состояния природной среды. Однакоего использование позволяет существенно повысить точность прогнозовсдвигов в экологической обстановке, вызванных деятельностью человека[4].

Глава 2.Особенности географического положения Оренбургского президентского кадетского училища и факторы, влияющие на состояние атмосферного воздуха над его территорией.

Территория Оренбургского президентского кадетского училища расположена в центральной части города Оренбургамежду улицами Маршала Г.К.Жукова (на востоке), Краснознамённой (на севере), Ленинской (на юге) и А.В. Коваленко (на западе) (приложение 1).

Территория училища имеет форму неправильного прямоугольника, вытянутого в направлении с севера-северо-запада на юг-юго-восток.Промышленных предприятий в районе училища нет, котельная на его территории не функционирует. Поэтому основным источником загрязнения атмосферного воздуха является автомобильный транспорт.

Наиболее оживленными автомобильными магистралями являются ул. Маршала Г.К.Жукова и Ленинская, в последнее время увеличился поток автомобилей и по улице Краснознаменной. Рядом в 100 м с западной стороны расположена еще одна загруженная автомобильная дорога – ул. 8 Марта. Это неблагоприятно, учитывая розу ветров Оренбурга, с преобладанием восточных, западных и юго-западных ветров (приложение 2).

Глава 3. Объекты растительной биоиндикации на территории училища.

В качестве биоиндикатора мы выбрали соснуобыкновенную, так как данный вид соответствует многим важным характеристикам вида-индикатора:

- многолетнее вечнозеленое растение, позволяющее проводить длительные круглогодичные наблюдения,

- хвоя сосны обыкновеннойнаиболее чувствительна к загрязнению атмосферного воздуха (повышенная чувствительность хвоиноксвязана с длительным сроком жизни хвои, активным поглощением газов)

- удобно регистрировать изменения, вызванные загрязнением атмосферного воздуха по наличию повреждений и усыханию хвои, снижению ее массы и изменению длины хвоинок);

- обладает повышенной чувствительностью к диоксиду серыSO2;

- произрастает по всей территории училищана участках с разной степенью загрязненности атмосферного воздуха.

Глава 4. Оценка состояния индикаторного вида и качества атмосферного воздуха в районе училища с помощью методов биоиндикации.

Сбор материала осуществлялся на 8контрольно-учетных участках,расположенных по периметру и в центральной части территории Оренбургского президентского кадетского училища (приложение 1).

Рис. 1. Продолжительность жизни хвои в годах

 

Наблюдения проводили следующим образом: с 2-3 деревьев на каждом участке собирали по 250 хвоинок из средней части кроны с побегов 2-го года жизни (рис. 1).

Для оценки повреждения хвои использовали традиционную методику М. Андреевой классификации хвои по степени повреждения атмосферным загрязнением. Анализировали хвою по наличию повреждений: хлорозы (желтые, бурые и черные пятнана хвое, образующиеся под воздействием фторидов, тяжелых металлов и кислотных осадков), некрозы (омертвление и усыхание участка хвои), по площади и интенсивности повреждений (рис. 2).

Оценку повреждения хвои осуществляли по следующим параметрам и признакам:

1-й класс - хвоинки имеют значительное число желтых, бурых и черных пятен;

2-й класс - хвоинки имеют немногочисленные пятна;

3-й класс - хвоинки не имеют пятен (приложение 3).

Оценку усыхания хвои давали по следующим параметром и признакам:

1-й класс - сухие участки отсутствуют

2-й класс - кончики хвоинки усохшие на 2-5мм

Рис. 2. Классы повреждения и усыхания хвои

 

3-й класс - усохли ~30% хвоинки

4-й класс - усохли более 50% хвоинки или полностью на ощупь жесткая, скрученная (приложение 3).

После визуального осмотра была измерена длина и масса хвои сосны обыкновенной, произрастающей на разных участках территории училища.

Такой анализ хвои по степени повреждения атмосферными загрязнениями дает возможность оценить жизненное благополучие растений-

индикаторов и опосредованно судить о степени загрязнения атмосферына исследуемом участке.

На ненарушенных загрязнением воздуха деревьях основная масса хвои выглядит здоровой без следов повреждения. Допускается наличие 10% хвои с некротическими точками микроскопических размеров и светло-зелеными пятнами, равномерно рассеянными по всей поверхности хвоинок. Допускается наличие хлорозов и некрозов, если площадь их не превышает 5% поверхности хвоинок.

В зоне повреждения растений атмосферными загрязнениями обнаруживается до 20% повреждения хвои двухлетнего возраста.

При высокой степени загрязненности воздуха наблюдается до 100% повреждения хвои в кроне дерева, а площадь повреждения хвоинок достигает 50%. На молодой хвое появляются сравнительно большие некрозы (2-5 мм). Часто обнаруживаются некрозы кончиков хвои (8-10 мм), которые приобретают ярко окрашенные тона (от серо-зеленого и серого до коричневого и красно-бурого).

В зоне высокого загрязнения атмосферы сначала отмирает верхняя часть кроны, а общее снижение массы хвои в сравнении с контрольной площадкой может достигать 50-60%.

Результаты проведенных измерений и расчетовбыли занесены в таблицу 1.

Таблица 1. Показатели состояния хвои сосны обыкновенной, произрастающей на территории Оренбургского президентского кадетского училища.

Состояние хвои

Контрольно-учетные участки на территории Оренбургского президентского кадетского училища

1

2

3

4

5

6

7

8

Доля хвоинок с повреждениями, %

1-й класс

52

20

85

66

25

53

49

49

2-й класс

37

46

14

32

17

30

38

44

3-й класс

11

34

1

2

58

17

13

7

Доля хвоинок с участками усыхания, %

1-й класс

43

44

95

89

41

74

78

86

2-й класс

50

20

4

9

23

19

12

7

3-й класс

4

25

1

2

36

4

10

7

4-й класс

3

11

0

0

0

3

0

0

Средняя длина хвои, мм

61,74

83,04

83,21

80,51

106,29

76,48

78,03

72,23

Средняя масса

хвои, г

0, 072

0, 109

0, 154

0, 202

0, 102

0, 093

0, 132

0,083

Диаграмма 1. Степень повреждения хвои сосны обыкновенной

Диаграмма 2. Степень усыхания хвои сосны обыкновенной

Как видно из таблицы 1 и диаграмм 1 и 2, наибольшие повреждения хвои наблюдаются на участках № 5 (перекресток улиц Маршала Г.К.Жукова и Краснознаменной) и № 2 (выход на ул. Маршала Г.К.Жукова). На участке №5 были обнаружены также тератологические изменения, проявляющиеся в увеличении количества хвоинок в пучке – терххвойность. На участке № 2 у двух деревьев обнаружена дефолиация (опадение хвои), сохранилась хвоя только этого года. Уровень загрязнения атмосферного воздуха на этих участках определяется как высокий.

На втором месте по загрязненности участок № 1 (выход на улицу Ленинскую). На данном участке у сосны обыкновенной обнаружены значительные повреждения хвои, у двух деревьев из четырех обнаружена хвоя только этого года. Низкая продолжительность жизни хвои является показателем неблагоприятного состояния окружающей среды.

Наименьшие повреждения хвои зарегистрированы у растений, произрастающих на участках № 4, № 6, № 7 и № 8 (все они удалены от автомагистралей), однако 7-17% хвоинок на этих участках имеют повреждения. Это свидетельствует о наличии небольшого количества загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Незначительное повреждение хвои у деревьев на участке № 3 связано с тем, что он отгорожен от автомагистрали трехэтажным зданием, что снижает прямое воздействие загрязняющих веществ на растения.

Диаграмма 3. Средняя длина хвои сосны обыкновенной

Самая длинная хвоя обнаружена у растений, произрастающих на участках № 5, № 3 и № 2, расположенных вблизи ул. Маршала Г.К.Жукова (диаграмма 3). Чтобы увеличить продукцию фотосинтеза в стрессовой ситуации сосна обыкновенная увеличивает длину хвои.

Диаграмма 4. Средняя масса хвоинок сосны обыкновенной

Сравнительный анализ массы хвоинок показал, что наибольшую массу имеет хвоя сосны на участках № 4, № 3 и № 7, что является показателем чистоты воздуха. Все участки находятся в удалении от дорог.

Наименьшую массу имеют хвоинки сосны на участках № 1, что совпадает с данными морфологического анализа и свидетельствует о загрязненности воздушного пространства; № 8, и № 6 (на этих участках растения растут в 10 метрах от ул. А.В. Коваленко, напротив стоянки автомобилей).

Заключение

Проведенное исследование помогло установить, что растительный мир является важным элементом определения и мониторинга качества окружающей среды. В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, генетических, морфологических и иммунных систем, что отражается на его внешнем облике, состоянии, продолжительности жизни.

Биоиндикация, в отличие от физико-химических методов изучения загрязненности, позволяет обнаружить не столько содержание отдельных загрязнителей, сколько их совместное действие на организм в той концентрации, в которой они находятся в среде обитания вида-индикатора.

Биологические методы контроля качества среды достаточно просты в исполнении, дешевы и позволяют вести контроль качества среды в непрерывном режиме.

Наиболее чувствительна к загрязнению атмосферного воздуха хвоя сосны обыкновенной, что связано с длительным сроком жизни хвои и активным поглощением газов.

Анализ хвои по степени повреждения атмосферными загрязнениями дает возможностьопосредованно судить о степени загрязнения атмосферына исследуемом участке.

Уровень загрязнения атмосферного воздуха над территорией училища можно оценить как средний. Высокий уровень загрязнения обнаружен на участках, примыкающих к крупным автомобильным магистралям (ул. Маршала Г.К.Жукова, Краснознаменной и Ленинской), что доказывает ведущую роль автомобильного транспорта в загрязнении воздушного бассейна в районе Оренбургского президентского училища.

Список литературы:

  1. Ашихмина Т.Я. Экологический мониторинг. М.: Академический проект, 2005. – 416 с.)

  2. Государственный доклад «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Оренбургской области в 2015 году». Управление Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Оренбургской области

  3. Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды. – М.: Мир, 1979. – 200 с.

  4. Деева Н.М., Мазная Е.А., Ярмишко В.Т. Влияние атмосферного загрязнения на состояние ассимиляционного аппарата растений сосновых лесов Кольского полуострова // Лесное хоз-во. – 1992. – № 10. – с. 8.

  5. Мелихова О.П., Егорова Е.И., Евсеева Т.И. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб.пособие для студ. высш. учеб. заведений. _ М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 288 с., с. 4

  6. Полякова А. Биоиндикаторы и методы биоиндикации загрязнения среды / А. Полякова, В. Поляков, Н. Ластовец и др. // Экол. вестн. России. 2002. - № 11.-С. 49-59.

Приложение 1

 

участок 4

участок 5

 

 

участок 7

 

 

участок 3

 

 

участок 6

 

 

участок 1

участок 8

 

 

участок 2

 

Схема расположения контрольно-учетных участков

на территории Оренбургского президентского кадетского училища

Приложение 2

Роза ветров в Оренбурге

(поданнымсайтаworld-weather.ru›archive/russia/orenburg/)

Приложение 3

Классы повреждения хвои (хлорозы)

Классы усыхания хвои (некрозы)