XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Биоиндикация загрязнения воздуха с помощью эпифитных лишайников на территории Карпогорского лесхоза Пинежского района Архангельской области

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Судавная А.Г. 1

---

1МБОУ "Карпогорская СШ № 118"

Кузнецова В.М. 1

---

1МБОУ "Карпогорская СШ № 118"

Работа в формате PDF

121.1 KB

Введение

Наблюдения за изменениями биохимического состава талломов лишайников позволяет использовать их в системе мероприятий по охране природы. Они могут накапливать различные поллютанты и служить индикаторами уровня загрязнения окружающей среды. Использование лишайников для указанной цели получило название лихеноиндикации.

Эпифитные лишайники поселяются на деревьях и кустарниках. Настоящие эпифитные лишайники растут на коре. Лишайники – это широко распространенные организмы с достаточно высокой выносливостью к климатическим факторам и с чувствительностью к загрязнителям окружающей среды.Лишайники являются одним из перспективных объектов биоиндикации -это оценка состояния окружающей среды по реакции живых организмов. Лишайники могут служить объектом мониторинга на всех уровнях: локальном, региональном (в обширном районе) и глобальном (на всем земном шаре).

Цель: провести оценку загрязнённости воздуха с помощью эпифитных лишайников на территории Карпогорского лесхоза Пинежского района.

Осуществление ее стало возможным через решение следующих задач:

- изучить общее видовое разнообразие эпифитных лишайников вхвойных

лесах, и их совместное обитаниена одном субстрате;

- изучить методы и объекты современных биоиндикационных исследований;

- выделить, какие особенности строения и жизнедеятельности лишайников можно использовать в качестве индикаторов антропогенной нагрузки;

- определить участки исследований для проведения статистической обработки полученных данных,

- сделать вывод о степени загрязнения воздуха на изучаемой территории,

- в качестве наглядного материала сделать коллекцию «Совместная встречаемость лишайников Пинежского района на одном субстрате».

Гипотеза: на территории Карпогорского лесхоза Пинежского района произрастает большое количество лишайников, что служит доказательствомчистоты воздуха.

Объект исследования: эпифитные лишайники на территории Карпогорского лесхоза Пинежского района Архангельской области.

Предмет исследования: биоиндикационные свойства эпифитных лишайников дляэкспресс - оценки загрязнения воздуха.

Методы: аналитический; поисковый; методы пассивной лихеноиндикации, сбор материала для лабораторных исследований; фотографирование, определение видов по справочникам и обработка полученных результатов.

Практическая значимость работы заключается в том, что биоиндикационными методами через эпифитные лишайники можно быстро определить степень загрязнения воздуха. Результаты исследования могут быть применены обучающимися и учителями ЕНЦ на уроках по биологии, на внеурочных занятиях по экологии, так как включают методики, необходимые для реализации программы школьного экомониторинга и проведения других видов исследовательской работы в школе.

При написании работы использовали 16литературных источников. Исследования проводились на территории Карпогорского лесхоза Пинежского района Архангельской области в течение трех лет (2023-2025г.г.). Территория района входит в таёжную лесорастительную зону и подзону средней тайги.

Обзор литературы

С конца 16 века ученые выясняют особенности строения, физиологию и систематику лишайников, но, тем не менее, многое еще не изучено. Одну из первых систем лишайников предложил Эрик Ахариус в 1803 году. Данный год принято считать началом научного изучения лишайников.

В России флору лишайников начали изучать почти век спустя, и первым исследователем был Александр Александрович Еленкин. В 19 веке впервые лишайники выделили в отдельную таксономическую группу и разработали систему, основанную на строении плодовых тел. В настоящее время известно более 26 000 лишайников, и каждый год ученые обнаруживают новые виды.

В России в 19-20 в. проводились физиолого-биохимические, ульстраструктурные и эколого-физиологические лихенологические исследования. УрбанавичюсГ.П.исследоваллихенофлоруСеверной Евразии, участвовал в написании «Определителя лишайников России» (2003-2008); «Флоры лишайников России». Составитель каталога «Список лихенофлоры России» (2010), насчитывающий свыше 3300 видов лишайников [13,14].

Один из ведущих лихенологов, X. Трасс, разделил методы лихеноиндикации на 3 группы. На первое место он поставил методы, позволяющие изучать изменения, которые происходят в строении и жизненных функциях лишайников под воздействием загрязнения. Методы второй базируются на описании видов лишайников, обитающих в районах с различной степенью загрязнения атмосферы. Третья группа включает методы изучения целых лишайниковых сообществ в загрязненных районах [11].

Для экомониторинга школьников - А. В. Пчелкин, А.С. Боголюбов «Методы лихеноиндикации загрязнений окружающей среды» и «Школьный экологический мониторинг» Т. Я.Ашихмина, где приводятся основные правила организации лихеноиндикационных исследований и простейшие методики использования лишайников для оценки интегрального воздействия неблагоприятных факторов среды на биологические объекты [4,9].

Основная часть.

1. Совместная встречаемость лишайников на одном субстрате.

1.1.Методика работы.

Лишайники можно определить по внешним признакам, для установления которых не требуется значительного увеличения. Поэтому сначала нужно тщательно рассмотреть лишайник невооруженным глазом.Определение надо начинать с установления субстрата, на котором собран определяемый образец. Затем устанавливается тип таллома, затем определяется круг родов, к которым может быть отнесен данный вид. В ряде случаев при определении необходимо рассмотреть срез таллома или апотеция. Такой срез можно приготовить лезвием бритвы. В отдельных случаях для более точного определения желательно воспользоваться некоторыми простыми реактивами, обычно широко применяемыми при определении лишайников. Их действие как индикаторов объясняется наличием или отсутствием в лишайниках тех или иных специфических для данного вида или рода кислот или других химических веществ.

Сбор лишайников лучше проводить в ясную и сухую погоду. Уложив их в рубашках с прокладками в ботанический пресс, туго затягиваем его крепким шпагатом и ставим в хорошо освещенное место или около нагревательных приборов. Оформляем гербарий, снабдив каждый лишайник и их совместное произрастание этикеткой гербарного образца [1,2,3,6].

1. 2. Результатыработы

Свои исследования мы начали с изучения видового разнообразия лишайников на территории Карпогорского лесхоза Пинежского района Архангельской области, используя учебно - исследовательскую работу и иллюстрированный атлас – определитель Шехиной Н.М. «Видовой состав лишайников Карпогорского лесхоза Пинежского района Архангельской области» [16]. На территории Карпогорского лесхоза определено 46 видов лишайников из 13 семейств. Анализ состава семейств показал, что самыми крупными по числу родов является семействоCladoniaceae (13 родов, их доля составляет 28 %), на втором месте – семейство Parmeliaceae (12 родов, 26 %). Пять семейств включают от 2 до до6 видов. Остальные 6 семейств являются моновидовыми. Ведущее положение семейств Cladoniaceae и Parmeliaceae в спектре семейств характеризует исследованнуюлихенофлору какбореальную.

Разнообразие местных видов лишайниковпо жизненным формам:

1. Кустистые, которые либо растут вверх как маленькие кустики, либо

свисают с дерева вниз, подобно бороде. Всего - 21 вид: все виды кладониий; уснея; стереокаулон войлочный и голый; анаптихия реснитчатая;эверния сливовая. Кустистые лишайники считают наиболее эволюционно развитыми из-за свойства гиф расти вертикально.

2. Листоватые (листовидные) лишайники имеют форму мелких

пластинок, чешуек: прикрепляются к поверхности тонкими нитями гриба и довольно легко отделяются от нее. Определено 19 видов: к ним относятся пармелии;гипогимнии; цетрарии; пельтигеры; фисции, лобариялегочная; ксантория настенная; платизматия сизая; пармелиопсис сомнительная; феофисция округлая.

3. Накипные лишайники (коркоподобные), похожи на плоские корки,

плотно срастающие с корой, полипами, почвой; они трудно отделяются, на ощупь бархатистые, влажноватые: 6видов:калициум зеленый; лепрария синевато-зеленая; пертузария горькая; псора лестничная; лециделаэуфора; леканора переменчивая.

При сборе лишайников, мы обратили внимание, что лишайники на определённом субстрате растут группами (см. таблица 1).

Таблица 1.

Совместная встречаемость лишайников на одном субстрате.

Анализируя таблицу№1, мы видим, что многие, совместно обитающие лишайники специфичны к субстрату: эпифитные - на хвойных деревьях, выбирают кислую кору хвойных (№1,2,4,5,6,10,14,15, 18 - 9 групп, их доля составляет 50%), другие на лиственных (№ 3,11,12,13,16,17 - 6 групп,33%), а третьи встречаются и на тех и других (№7,8 - 2 группы,11%).

Эпиксильные - обитающие на гниющей древесине: № 9 - 1 группа, 5%. Ряд лишайников сам выступает в качестве подложки для других лишайников (№ 13, 16, 17- 3 группы, 17%), т.е. формируется типичная последовательность, в которой различные лишайники нарастают друг на друга. Лишайники, как и другие организмы, образуют сообщества: чаще нами встречались две популяции лишайников, но встретились и 6 вместе живущих.

Совместные группировки лишайников объясняются тем, что медленный рост слоевища не дает возможности конкурировать с быстрорастущими цветковыми растениями или мхами. Поэтому обычно лишайники заселяют такие экониши, где условия существования слишком суровы для других растений. Видовой состав лишайниковых группировок зависит не только от вида дерева, но и от его возраста. Для преобладающего расселения того или иного вида лишайников, имеет значение строение коры (ее физические свойства, химический состав, кислотность и т. д.). Чаще эпифитные лишайники поселяются на старых, ослабленных деревьях. Однако лишайники часто растут и на молодых, хорошо развитых деревьях и кустарниках. Так, например, на молодых деревьях лиственных пород, имеющих гладкую тонкую кору, обычно развиваются накипные лишайники. На старой коре поселяются уже листоватые и кустистые лишайники.

Расселение лишайников на стволе зависит в основном от освещенности. Лишайники, приспособленные к существованию при малой освещенности, поселяются ближе к основанию ствола, а светолюбивые поднимаются по стволу.

2. Эпифитнаялихенофлора как показатель чистоты

атмосферного воздуха

2. 1. Методика работы

Лихеноиндикация [7,9.11] — традиционный метод оценки чистоты атмосферноговоздуха с помощью лишайников. Лишайники обладают высокой чувствительностью к степени загрязнения воздуха, и в то же время способностью выдерживать суровые условия существования. Одним из объектов нашего исследования мы выбрали массовые виды эпифитных лишайников, так как это особая группа организмов, как по строению, так и по взаимоотношениям с биотическими и абиотическими факторами среды.

1. Выбрали 3 площадки для исследований:

• №1 (участок контроля) – сосняк - брусничник, расположенный в чистой лесной зоне, на расстоянии 15 км от дорог и жилой зоны.

• №2 (участок контроля с антропогенной нагрузкой): сосняк - брусничник, около автотрассы между с. Карпогоры и п. Согадля лесовозов.

• №3 (участок контроля с антропогенной нагрузкой): сосняк - брусничник, расположенный около твёрдо-топливной котельной (работает на каменном угле) в с. Карпогоры.

2. В каждом квадрате выбрали 10 отдельных стоящих старых, но

здоровых,растущих вертикально деревьев сосны обыкновенной.

3. Определение степени загрязнения воздуха по видовому составу

лишайниковпроизводили простейшим тестом на чистоту воздуха (Трасс, 1985), [12]. На каждом дереве подсчитали количество видов лишайников. Все обнаруженные виды разделили на 3 группы: кустистые, накипные и листоватые.

4. Провели оценку степени покрытия древесного ствола методом пассивной лихеноиндикации. Для этого мы измерили проективное покрытие лишайников на пробных площадках и получали средние значения проективного покрытия.

5. Для измерения численности лишайников на деревьях, т.е. измерения процентного отношения площади, покрытой лишайниками, к площади, свободной от лишайников, в частности – их проективного покрытия, мы использовали способ «палетки». Палетка представляет собой рамку, разделенную на квадраты размером 1 х 1 см.. На прозрачной пленке 10 х 10 см, изготовленной самостоятельно из куска целлофановой пленки, расчертили ее перманентным фломастером на квадраты 1 х 1 см.. Палетку накладывали на ствол дерева, на высоте около 100 см, на наиболее заросшую лишайниками часть коры и фиксировали кнопками [10,11].

Подсчет лишайников на каждом участке ствола производили следующим образом. Сначала подсчитали число квадратов, в которых лишайники занимают на глаз больше половины площади квадрата (а), условно приписывая им покрытие, равное 100 %. Затем подсчитывали число квадратов, в которых лишайники занимают менее половины площади квадрата (b), условно приписывая им покрытие, равное 50 %.

Общее проективное покрытие в процентах (R) вычисляли по формуле:

R= (100 a +50 b) / С, где С - общее число квадратов палетки (например, при использовании палетки 10 х 10 см с ячейками 1 х 1 см, С = 100).

6. Далее рассчитывали степень покрытия в процентах. Оценка встречаемости и покрытия дается по 5-балльной шкале [4,9].

Таблица 2.

Оценка частоты встречаемости и степени покрытия лишайниками по пятибалльной шкале

После обработки полученных данных, мы сделали расчет средних баллов встречаемости и покрытия для каждого типа роста лишайников — накипных (Н), листоватых (Л) и кустистых (К).

Затем рассчитали показатель относительной чистоты атмосферы (ОЧА) по формуле: ОЧА = (Н + 2 х Л +3 х К)/ 30. Чем выше показатель ОЧА (ближе к единице), тем чище воздух местообитания [11].

7. Полученные результаты лихеноиндикации занесли в рабочие таблицы

(см. Приложение 2) и сравнили в соответствии со шкалой таблицы 3 .

Таблица 3.

Качественная оценка загрязнения воздуха

с помощью лишайников

2.2. Результаты работы

В ходе исследования, на сосне обыкновенной (Pinussylvestris), мы встретили 16 видов лишайников (см. Приложение 3). Среди выявленных лишайников 12 (75%) являются собственно эпифитными, 4 (25%) – факультативными эпифитами. Больше половины всех видов (63%) относится к листоватой жизненной форме. Видовой состав наиболее распространенных и обычных эпифитных лишайников в сосновых лесах не отличается большим разнообразием. Для оценки чистоты воздуха при помощи лишайников, мы составили сводную таблицу, где сравнили полученные результаты с трёх участков.

Таблица 3.

Оценки чистоты воздуха при помощи лишайников

на сосне обыкновенной (Pinussylvestris)

Имеется прямая связь между относительной чистотой атмосферы (ОЧА) и средней концентрацией диоксида серы в атмосфере. Чем выше показатель ОЧА (ближе к единице), тем чище воздух местообитания [11,12].

Сопоставив полученные данные поизучению лишайников - оценка частоты встречаемости и степени покрытия древесного ствола методом пассивной лихеноиндикации, можно сделать следующие выводы о загрязнении воздуха на исследуемых участках:

• участок контроля №1 – сосняк - брусничник, расположенный в лесной зоне имеет чистый воздух, так как находится в удалении от населённых пунктов со всеми его предприятиями, дорогами, поэтому показатели по всем сравниваемым критериям лучше, чем на других участках,

• участок №2 с антропогенной нагрузкой - сосняк – брусничник около автотрассы с относительно чистым воздухом («норма»), поскольку автомобильные выхлопы являются сильнейшими факторами загрязнения,

• участок №3 с антропогенной нагрузкой - сосняк - брусничник, показывает самую высокую степень загрязнения вблизи котельной среди 3 участков, так как наблюдается снижение видового разнообразия лишайников, особенно листоватых.

Наличие на участках всех трёх типов лишайников - кустистых, накипных и листоватых говорит о том, что воздух на территории Карпогорского лесхоза Пинежского района чистый.Выхлопные газы автомобилей на участке №2 и продукты горения каменного угля на участке №3 говорят о слабом загрязнении воздуха, что доказывает снижение видового разнообразия лишайников на данных площадях. Установлено, что при повышении степени загрязнения воздуха первыми исчезают кустистые, затем листоватые и последними - накипные (корковые) формы лишайников. Видовой состав лишайников на деревьях сосны в сосняках брусничниках на разном расстоянии от источника загрязнения воздуха существенно меняется. Вблизи дороги и ТТК нами встречались следующие виды лишайников: гипогимниявздутая (Hypogymniaphysodes), висячие виды уснеи(Usnea).

На контроле, постепенно, по мере удаления от источника загрязнения, количество видов возрастает и на контроле к ним добавляются все виды пармелии и кладонии (см. таблицу 2). На всех пробных площадях присутствует на деревьях постоянно только один вид - это гипогимния вздутая (Hypogymniaphysodes), т.е. она является самым устойчивым видомно в то же время, сильно реагирует на загрязнение своим обилием и распространением по стволу.

Заключение

Лишайники – это своеобразная группа живых организмов, являющихся важным компонентом растительного покроваКарпогорского лесхоза Пинежских таежных лесов. Они образуют значительную биомассу и играют огромную роль в круговороте веществ в лесных биогеоценозах.В процессе исследования нами была выявлена несомненная важность использования метода биоиндикации для определения степени загрязнения атмосферы с помощью индикаторов - лишайников.Метод лихеноиндикации действительно можно применять для определения оценки чистоты воздуха при помощи лишайников на сосне обыкновенной: уровень загрязненности воздуха участков соответствует норме - загрязнений нет. Таким образом, лишайники являются интегральным индикатором состояния среды и косвенно отражают общую "благоприятность" комплекса абиотических факторов среды на биотические.

Таким образом, лихеноиндикация - один из важных и нужных методов экологического мониторинга. Однако этот метод не всегда применим. Дело в том, что лишайники, как и любые живые организмы, откликаются на любое изменение окружающей среды. Поэтому в природе часто нельзя установить конкретную причину тех или иных повреждений лишайников. Простое воздействие температуры либо влажности может перекрывать влияние загрязнения, особенно если концентрация загрязняющих веществ невелика.

Лихеноиндикация имеет ряд преимуществ перед инструментальными методами. Она отличается высокой эффективностью, не требует больших затрат и дает возможность характеризовать состояние среды за длительный промежуток времени.

Считаем, что данная работа имеет большое практическое значение при оценке состояния окружающей среды, поскольку приведённая методика является менее затратной по ресурсам и достоверной.

Выводы:

• Выявлено 18 групп совместно обитающих лишайников на одном

субстрате. Одни группировки предпочитают хвойные деревья: другие – лиственные, третьи – и те, и другие. Ряд лишайников сам выступает в качестве подложки для других лишайников. Чаще других совместные группировки образуют гипогимния, уснея и кладония.

• Анализ межвидовых отношений в лишайниковых синузиях, дает

основание предполагать, что нет строгой иерархической системы видов по «силе конкурентности». Один и тот же вид обнаруживал различные отношения в разновозрастныхсинузиях к различным партнерам.

• В формировании эпифитного покрова сосны принимают участие 16

видов лишайников (см. Приложение 3). Среди выявленных лишайников 12 (75%) являются собственно эпифитными, 4 (25%) – факультативными эпифитами. Больше половина всех видов (63%) относится к листоватой жизненной форме.

• Количество видов лишайников вблизи источника выбросов

загрязняющих веществ в воздух, сильно сокращается. Самым устойчивыми видом является гипогимниявздутая (Hypogymniaphysodes), которая в то же время сильно реагирует на загрязнение снижением обилия и распространением по стволу. Высота поднятия по стволу снижается вблизи источников загрязнения.

• В ходе исследований были комплексно исследованыбиоиндика-

ционные свойства лишайников, доказана их эффективность: что позволяет использовать методы лихеноиндикации для оценки состояния сосняков и индикации атмосферного воздуха.

• Гипотеза подтвердилась, большое количество и многообразие

лишайников на территории Карпогорского лесхоза Пинежского района служит доказательством чистоты воздуха.

Библиографический список

1. Атлас определитель лишайников «Планитариум», https://www.plantarium.ru

2. Атлас лишайников – Академия приключений. [Электронный ресурс].–

Режим доступа:

(http://adventures.uvk6.info/atlasy/griby-kryma/atlas-lisajnikov).

3. Атлас-определитель растений и лишайников России и сопредельных стран. [Электронный ресурс].– Режим доступа:(http://www.plantarium.ru/).

4. Ашихмина Т.Я. Школьный экологический мониторинг.- М.: АГАР, 2000.

5. Бызова Н.М. География Европейского Севера. Арх-ск.: ПГУ им. М.В. Ломоносова, 2002.

6. Голубкова Н.С. Определитель лишайников средней полосы Европейской части СССР. М.-Л.: "Наука", 1966.

7. Миронова О.А. Практика лихеноиндикации в школьном экологическом мониторинге// Первое сентября. Биология.- 2007.-№8.-с.32-35.

8. Определитель лишайников России. Вып.6. Алекториевые, Пармелиевые, Стереокаулоновые. Под.ред. Н.С.Голубковой. С.-П.: "Наука", 1996.

9. Оценка загрязнения воздуха методом лихеноиндикацииА.С.Боголюбов, М.В.Кравченко, © «Экосистема», 2001.[Электронный ресурс].– Режим доступа:(http://ecocenter.rkomi.ru/system/attachments/uploads/000/107/054/original/10%D0%BB%D0%B8%D1%85%D0%B5%D0%BD.pdf)

10. Пчелкин А. В., Боголюбов А.С. Методы лихеноиндикации загрязнений окружающей среды: Методическое пособие. – М.: Экосистема, 1997.

11. Сурсо М.В., Тарханов С.Н. Лихеноиндикаторы состояния воздушной среды в районе Архангельского промузла: Экологические проблемы Европейского Севера, Екатеринбург: Изд-во УрОРАН, 1996. 407с

12. Трасс Х.Х. Классы толерантности лишайников и экологический мониторинг// Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем.- Л., 1985. -Т. 7. - С. 122-137.

13. Урбанавичюс Геннадий Пранасович», [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://inep.ksc.ru/docs/U.G.P.pdf.

14. «Урбанавичюс Геннадий Пранасович», [Электронный ресурс] - Режим доступа:

http://www.kolasc.net.ru/russian/news/U/Urbanavi74sGennadi0Pranasovi7.htm

15. Шапиро И.А. Лишайники: удивительные организмы и индикаторы

состояния окружающей среды\\СПб: Крисмас+,2003.-108с.

16. Шехина Н.М. «Видовой состав лишайников Карпогорского лесхоза Пинежского района Архангельской области», с. Карпогоры, 2020г. (учебно - исследовательская работа и иллюстрированный атлас)