Исследовательская работа на тему: «Биоиндикация загрязнения воздуха по комплексу признаков

МБОУ «Ципьинская средняя общеобразовательная школа»
Балтасинского района Республики Татарстан
Исследовательская работа
на тему:
«Биоиндикация загрязнения воздуха
по комплексу признаков
сосны обыкновенной»
Выполнил: ученик 9 класса
Пчельников Иван
Руководитель: учитель биологии
Залкеева М. В.
2012
Оглавление
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
3
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Методика выполнения эксперимента
и используемое оборудование
8
Результаты исследования и обсуждение
11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
15
ВЫВОДЫ
16
ЛИТЕРАТУРА
17
ПРИЛОЖЕНИЕ
18
2
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Атмосферный воздух – это природная смесь газов приземного слоя атмосферы за
пределами жилых, производственных и иных помещений, сложившаяся в ходе
эволюции Земли.
Атмосфера надежно оберегает человечество от многочисленных опасностей,
угрожающих ему из космоса: не пропускает метеориты, защищает землю от
перегрева, отмеряя солнечную энергию в необходимом количестве, нивелирует
перепад суточных температур, который мог бы составить примерно 200 0, что
неприемлемо для выживания всех земных существ. На верхнюю границу атмосферы
ежесекундно обрушивается лавина космических излучений. Если бы они достигли
земной поверхности, мгновенно исчезло бы все живущее на Земле.
Газовая
оболочка
ультрафиолетовых,
спасает
все
рентгеновских
живущее
и
на
Земле
космических
лучей.
от
губительных
Велико
значение
атмосферы и в распределении света. Воздух атмосферы разбивает солнечные лучи на
миллион мелких лучей, рассеивает их и создает то равномерное освещение, к
которому
мы
привыкли.
Кроме
того,
атмосфера
является
средой,
где
распространяются звуки. Без воздуха на Земле царила бы тишина, невозможна была
бы человеческая речь.
Однако в атмосферу выбрасывается значительное количество газообразных
отходов производства.
Загрязняющее вещество – примесь в атмосферном воздухе, оказывающая при
определенных концентрациях неблагоприятное воздействие на здоровье человека,
объекты растительного и животного мира и другие компоненты окружающей
природной среды или наносящая ущерб материальным ценностям.
Основными
источниками
загрязнения
атмосферного
воздуха
являются
промышленность и автотранспорт.
В последние годы содержание в атмосферном воздухе таких вредных примесей,
как взвешенные вещества, диоксид серы, существенно уменьшилось, так как со
значительным спадом производства сократилось и число промышленных выбросов,
а концентрации оксида углерода и диоксида азота выросли в связи с ростом парка
автомобилей.
3
От загрязнения воздуха страдают животные и растения.
Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных
проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей, под влиянием
сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях
растений, в связи с чем ухудшается фотосинтез и дыхание, замедляется рост,
снижается качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных
культур, а при более высоких и продолжительных дозах воздействия растительность
погибает.
Для нас, сельских жителей, эта проблема является наиболее актуальной. Мы,
учащиеся Ципьинской средней общеобразовательной школы, не могли не
заинтересоваться влиянием атмосферного загрязнения на состояние растений нашего
села. Мы решили провести исследовательскую работу.
Цель работы: выявить влияние атмосферного загрязнения на морфологические
признаки и состояние генеративных органов сосны обыкновенной.
Для достижения данной цели нам пришлось решить следующие задачи:
1. Провести обзор литературы по проблеме исследования;
2. Определить участки проведения работы;
3. Определить состояние хвои сосны;
4. Определить продолжительность жизни хвои;
5. Определить интенсивность годовых приростов побегов;
6. Определить состояние кроны древостоев;
7. Определить состояние генеративных органов сосны обыкновенной.
4
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Атмосфера: значение и загрязнение
Наибольшее значение
для
всех
живых организмов имеет относительно
постоянный состав атмосферного воздуха. В нем содержится азота 78,3%, кислорода
– 20,95%, диоксида углерода – 0,03%, аргона – 0,93% от объема сухого воздуха,
небольшое количество других инертных газов. Пары воды составляют 3-4 от всего
объема воздуха.
Состав
воздуха
поддерживается
за
счет
постоянно
идущих
процессов:
использования газов живыми организмами и выделения их в атмосферу.
В последние годы происходит некоторое изменение баланса азота в атмосфере за
счет хозяйственной деятельности людей. Возросла фиксация азота при производстве
азотных удобрений.
Однако, из-за огромного количества азота в атмосфере проблема его баланса не
так серьезна, как баланс кислорода и углекислого газа. Известно, что около 3,5-4
млрд. лет назад содержание кислорода в атмосфере было в тысячу раз меньше, чем
сейчас, так как не было основных продуцентов кислорода – зеленых растений.
Жизнедеятельность
живых
организмов
поддерживается
современным
соотношением в атмосфере кислорода и углекислого газа. Естественные процессы
потребления углекислого газа и кислорода и их поступление в атмосферу
сбалансировано.
С развитием промышленности и транспорта кислород используется на процессы
горения. На сжигание разных видов топлива сейчас требуется от 10% до 25%
кислорода, производимого зелеными
растениями.
Уменьшается поступление
кислорода в атмосферу из-за сокращения площадей лесов. Сокращается число
продуцентов кислорода и в водных экосистемах из-за загрязнения рек, озер, морей и
океанов.
Увеличение потребления кислорода происходит одновременно с увеличением
выделения в атмосферу диоксида углерода. Некоторое увеличение СО2 в атмосфере
сказывается положительно на продуктивности растений. Однако, общее увеличение
содержания СО2 в атмосфере приводит к сложным глобальным явлениям.
Углекислый газ свободно пропускает коротковолновое излучение, но задерживает
5
тепловые лучи, идущие от нагретой земной поверхности. Это явление получило
название «парникового эффекта». Дополнительный нагрев нижних слоев атмосферы
дает сжигание топлива. Повышение среднегодовой температуры нижних слоев
атмосферы Земли может вызвать таяние ледников Антарктиды и Гренландии, что
приведет к повышению уровня Мирового океана, затоплению низменных участков
материков, усилению тектонических процессов, изменению климата.
Противоположный
эффект
дает
запыление
и
задымление
атмосферы.
Механические частицы отражают солнечные лучи, увеличивают отражательную
способность Земли, уменьшают ее нагревание. Преобладание этих процессов может
привести к увеличению ледниковых шапок на полюсах, резкому похолоданию и
наступлению ледникового периода.
Загрязнение атмосферы может быть естественным и искусственным. Естественное
загрязнение атмосферы происходит при извержении вулканов, выветривании горных
пород, пыльных бурях, лесных пожарах, выносе в атмосферу кристалликов солей. В
норме природные источники не вызывают существенных загрязнений атмосферы.
Источниками искусственного загрязнения служат промышленные, транспортные и
бытовые выбросы. Основным поставщиком загрязнений служат промышленные
предприятия. Ими выделяются несгоревшие частицы топлива, пыль, сажа, зола.
Главный химический загрязнитель атмосферы – сернистый газ, выделяющийся
при сжигании каменного угля, сланцев, нефти, при выплавлении железа, меди,
производстве серной кислоты и др. Сернистый газ служит причиной выпадения
кислотных дождей. При высокой концентрации сернистого газа, пыли, дыма во
влажную тихую погоду в промышленных районах возникает белый смог, резко
ухудшая условия жизни людей.
Под воздействием интенсивного солнечного излучения химические вещества,
поступающие от промышленности и транспорта, могут вступать в реакции друг с
другом, образуя высокотоксичные соединения. Такой вид смога получил название
фотохимического.
В больших городах и густонаселенных районах первенство в загрязнении
атмосферы переходит от промышленности к автомобильному транспорту. С
выхлопными
газами
в атмосферу поступают
угарный
газ,
оксиды
азота,
углеводороды. В некоторые сорта бензина в качестве антидетонатора добавляется
6
тетраэтилсвинец, тогда в атмосферу с выхлопными газами поступают мелкие
частички свинцовой пыли. Наибольшее количество загрязнений поступает от
автомобилей с плохо отлаженными двигателями и работающими на холостом ходу.
Самое
опасное
загрязнение
атмосферы
и
всей
окружающей
среды
–
радиоактивное. Оно представляет угрозу для здоровья и жизни людей, животных и
растений не только ныне живущих поколений, но и их потомков, из-за появления
многочисленных мутационных уродств. Последствия такого мутагенного влияния на
растения, животных и человека изучены еще плохо и трудно предсказуемы. В
районах умеренного радиоактивного загрязнения увеличивается число людей,
заболевших лейкозами.
Источниками радиоактивного загрязнения служат экспериментальные взрывы
атомных и водородных бомб, производства, связанные с изготовлением ядерного
оружия, атомные реакторы электростанций, предприятия, где используются
радиоактивные вещества, станции по дезактивации радиоактивных отходов, отходы
атомных установок и предприятий.
В настоящее время стало очевидно, что не существует такой малой пороговой
дозы ионизирующего излучения, которая была бы безопасна.
Серьезные последствия имеет загрязнение воздуха хлорфторметанами или
фреонами. Широкое использование фреонов в холодильных установках, в
производстве полупроводников и аэрозольных баллончиков приводит к появлению
этих веществ в стратосфере в местах разложения мелкого озонового экрана. При
разложении фреонов под действием ультрафиолетовых лучей выделяются хлор и
фтор, которые взаимодействуют с озоном. Есть опасность, что слой озонового
экрана резко сократится и это вызовет увеличение заболеваемости раком кожи из-за
проникновения на землю жесткого ультрафиолетового излучения. Утоньшение
озонового экрана, появление «озоновых дыр» отмечено над территориями
Антарктиды, Австралии, Южной Америки, некоторых районов Евразии.
7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Методика выполнения эксперимента и используемое оборудование
Экологические исследования указали на тесную связь между состоянием
генеративных органов отдельных представителей флоры и степенью загрязнения
атмосферы. Изменение состояния растений отмечено даже при кратковременном
увеличении загрязненности воздуха. Именно данные факты мы использовали в своей
исследовательской работе.
В своей работе мы использовали метод биоиндикации.
Биоиндикация – это оценка состояния окружающей среды по реакции живых
организмов. В зависимости от свойств используемого биоиндикатора различают
специфическую
и
неспецифическую
биоиндикацию.
О
неспецифической
биоиндикации говорят в том случае, когда различные антропогенные факторы
вызывают одни и те же ответные реакции; если же те или иные происходящие
изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической
биоиндикации.
В качестве биоиндикаторов используют животных, растения, грибы, бактерии,
вирусы.
При осуществлении биоиндикации с помощью растений используют следующие
морфологические изменения:

хлороз (бледная окраска листьев);

пожелтение краев и определенных участков листьев;

покраснение (накопление антоциана в виде пятен на листьях);

побурение или побронзовение;

некрозы (отмирание участков ткани) и др.
В качестве биоиндикатора в своей работе мы использовали сосну обыкновенную,
так как она широко распространена и обладает высокой чувствительностью к
загрязнению воздушной среды.
Древесные насаждения очищают воздух от пыли, вредных газов копоти,
защищают жителей от шума. Многие хвойные деревья выделяют особые вещества –
фитонциды, убивающие болезнетворные микроорганизмы. Один гектар еловых
8
насаждений может задерживать в кронах до 32 т пыли в год, сосновых – до 35, вяза –
до 43, дуба – до 54, бука – до 68 тонн в год.
Место проведения работы:
1. Посадка растений в 5 м от автодороги, недалеко от населенного пункта.
2. Лес расположенный вдали от автодороги и населенного пункта.
Материалы и оборудование: линейка, лупа, миллиметровая бумага.
Ход работы
1. Определили участки проведения работы. Они должны были находиться в
зонах, контрастных по уровню атмосферного загрязнения. Мы выбрали
посадку растений в 5 метрах от автодороги и лес. На карте Ципьи отметили
местонахождение этих зон (см. приложение)
2. Определили состояние хвои сосны.
2.1. Выявили степень повреждения хвои. С ветвей 5 деревьев (в молодых 30-40
летних древостоях) отобрали побеги одинаковой длины. С них собрали всю
хвою и визуально проанализировали ее состояние. Степень повреждения хвои
определяли по наличию хлоротичных пятен, некротических точек, некрозов и
т.д.(см. приложение)
2.2. Результаты учетов занесли в таблицу (см. таблица 1)
2.3. Сделали вывод о состоянии хвои в разных участках города и загородной
зоны.
3. Определили продолжительность жизни хвои.
3.1. Провели визуальную оценку побегов сосны. Продолжительность жизни хвои
установили путем просмотра побегов с хвоей по мутовкам (см. приложение ).
Количество учетных деревьев – 20.
3.2. Результаты определений оформили в виде таблицы (см. таблица 2)
3.3. Рассчитали индекс продолжительности хвои сосны (Q) по формуле: Q =
(3B1+2 B2+B3)/ (B1+ B2+B3), где B1,B2,B3 – количество деревьев с
продолжительностью жизни хвои соответственно 1, 2 и 3 года.
3.4. Сделали заключение о связи загрязнения воздуха и продолжительности жизни
хвои. Чем больше индекс Q, тем больше продолжительность жизни хвои
сосны.
9
4. Определили интенсивность годовых приростов побегов.
4.1. Измерили длину прироста каждого года. Длину прироста измеряли, начиная с
последнего года, двигаясь по междоузлиям от года к году (см. приложение )
4.2. Измерили толщину побегов. Ветвление побегов определили путем подсчета
веточек в местах междоузлий.
4.3. Средние значения по длине прироста, толщине побегов и ветвлении занесли в
таблицу (см. таблица 3)
4.4. Сформулировали вывод о зависимости показателей, характеризующих
состояние побегов сосны, от условий произрастания растений.
5. Определили состояние кроны древостоев.
5.1. Определили количество деревьев с различным состоянием кроны. Для
получения достоверных результатов осмотрели 20 деревьев. Визуальную
оценку древостоев провели по совокупности признаков: состоянию ствола,
ветвей, корней, ажурности крон, приросту по высоте.
5.2. Результаты оценки состояния деревьев представили в виде таблицы (см.
таблица 4)
5.3. Вычислили показатель обесхвоенности кроны. Расчет произвели по формуле:
F = (В2+2В3+3В4+5В6/5*(В1+В2+В3+В4+В5+В6))*100%, где В1,В2,В3,В4,В5,В6 –
количество деревьев с соответствующим состоянием кроны (см. таблица 4).
5.4. Сделали вывод о состоянии кроны древостоев на участках, различающихся по
загрязнению воздуха.
5.5. Зарисовали наиболее типичные силуэты крон.
6. Определили состояние генеративных органов сосны обыкновенной.
6.1. Подсчитали число сформировавшихся почек на 3 ветвях каждого из 20
деревьев.
6.2. Измерили длину и толщину почек.
6.3. Средние значения подсчетов и измерений занесли в таблицу (см. таблица 5)
6.4. Сформулировали вывод о взаимосвязи между состоянием почек и условиями
произрастания деревьев.
10
Результаты исследования и их обсуждение
Таблица 1. Повреждение и усыхание хвои сосны обыкновенной в разных
зонах
Участок №1 Лесная зона
Состояние
хвои
Обследовано
Количество
хвоинок
% хвоинок от
общего
количества
Участок №2 Посадка растений
Количество
хвоинок
% хвоинок от
общего
количества
3239
100
3350
100
1132
35
272
8
Класса 2
1502
46
1310
39
Класса 3
457
14
1683
50
90
3
18
0,5
Класса 2
22
1
8
0,2
Класса 3
36
1
59
2
хвоинок
Повреждения
хвои:
Класса 1
Усыхание
хвои:
Класса 1
Вывод: В лесной зоне, вдали от автомобильных магистралей степень повреждения
хвоинок незначительная, но наблюдаются повреждения с небольшим числом мелких
пятнышек. В посадке растений, вблизи автодороги наблюдается незначительное
повреждение хвоинок и усыхание хвоинок прогрессирует.
11
Таблица 2. Продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной в разных
зонах
Состояние
хвои
Обследовано
деревьев, в т.ч:
Участок №1 Лесная зона
Участок №2 Посадка растений
Количество
% от общего
Количество
% от общего
деревьев
числа деревьев
деревьев
числа деревьев
20
100
20
100
10
50
9
45
4
20
6
30
1
5
3
15
5
25
2
10
С возрастом
хвои 4-5 лет и
более
С возрастом
хвои 3-4 года
С возрастом
хвои 2-3 года
Хвоя только
текущего года
Индекс продолжительности жизни хвои:
Q1= (3*10 + 2*4 +1)/15 =2,6
Q2 = (3*9 + 2*6 +3)/(9+6+3) = 2,3
Вывод: Средняя продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной в лесной зоне
составляет 2,6 года, в зоне посадки – 2,3 года. Значит, чем больше загрязненность
воздуха, тем меньше продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной.
12
Таблица 3. Характеристика побегов сосны обыкновенной в разных зонах
Длина годового
Ширина побега,
прироста, мм
мм
Лес
120
4,87
4
Посадка
118, 2
4,65
2
№ участков
Ветвление, мм
Вывод: Средние значения длины прироста, толщины побегов и ветвления выше у
растений лесной зоны по сравнению с этими показателями у растений посадки
Таблица 4. Состояние кроны деревьев в разных зонах
Состояние кроны
Исследовано деревьев, в т.ч.
Количество деревьев
Лес
Посадка
20
20
18
15
2
3
0
1
0
1
0
0
0
0
1. С густой зеленой кроной;
отмирающие ветви в нижней
части кроны (В1)
2. Со слабоажурной кроной;
усыхание ветвей в нижней
трети кроны (В2)
3. Ажурной кроной; сухие
ветви в средней и верхней
частях кроны (В3)
4. Сильно изреженной
кроной или с отдельными
живыми ветвями (В4)
5. Свежий сухостой; ветви
усохли в текущем году (В5)
6. Старый сухостой; деревья
усохли в прошлые годы (В6)
13
Показатель обесхвоенности кроны:
F1 (лес) = (2/5*(18+2))*100% = 2%
F2 (посадка) = ((3+2*1+3*1)/5*(15+3+1+1))*100% = 8%
Вывод: Больший процент обесхвоенности деревьев наблюдается в зоне посадки, что
связано с близостью автодороги и населенного пункта.
Таблица 5. Состояние почек сосны обыкновенной в разных зонах
№ участков
Количество почек,
Длина почек, мм
шт.
Толщина почек,
мм
Лес
276,5
10
5
Посадка
244,7
9,5
4
Вывод: В лесу, где загрязненность воздуха минимальная, количество почек сосны
обыкновенной больше, почки длиннее и толще, чем в посадке.
14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проделанная нами работа показала ухудшение состояния хвойных деревьев,
произрастающих вблизи источников загрязнения. Таковыми являются автодорога,
населенный пункт. Из изученных нами признаков сосны в наибольшей степени
чувствительной к загрязнению воздуха оказалась хвоя. Наиболее губительно
действуют на хвойные такие компоненты воздуха, выделяемые автотранспортом, как
угарный газ, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, кетоны, канцерогенные
соединения. Эти вещества приводят к нарушению роста деревьев, повреждениям и
сбрасыванию хвои, ослаблению всего дерева. Угнетающее действие атмосферных
загрязнений на генеративные органы растений чревато сокращением численности
популяции, что в конечном итоге может привести к гибели всей популяции.
К сожалению, такие биоиндикаторы как сосна обыкновенная не дают
количественной оценки загрязненности воздуха, но могут служить сигналом о
наличии неблагоприятных экологических условий. Но можно ли говорить, что в
последнее время чистота воздуха, следовательно, и собственное здоровье никого не
волнует? По – нашему мнению, это не так.
За последние годы количество посадок в нашем селе значительно увеличилось.
Каждой весной учащиеся занимаются озеленением улиц. За каждой организацией
закреплен участок с зелеными насаждениями.
Хотелось бы надеяться, что наше село будет примером чистоты и красоты!
15
ВЫВОДЫ
1. В лесной зоне, вдали от автомобильных магистралей степень повреждения
хвоинок незначительная, но наблюдаются повреждения с небольшим числом
мелких пятнышек. В посадке растений, вблизи автодороги наблюдается
незначительное повреждение хвоинок и усыхание хвоинок прогрессирует.
2. Средняя продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной в лесной зоне
составляет 2,6 года, в зоне посадки – 2,3 года. Значит, чем больше
загрязненность воздуха, тем меньше продолжительность жизни хвои сосны
обыкновенной.
3. Средние значения длины прироста, толщины побегов и ветвления выше у
растений лесной зоны по сравнению с этими показателями у растений посадки
Больший процент обесхвоенности деревьев наблюдается в зоне посадки, что
связано с близостью автодороги и населенного пункта.
4. В лесу, где загрязненность воздуха минимальная, количество почек сосны
обыкновенной больше, почки длиннее и толще, чем в посадке.
16
ЛИТЕРАТУРА
1. Батыев С. Г., и др. Советы Татарской АССР и вопросы охраны природы. Казань,
Татарское книжное издательство. 1979. 272 с.
2. Новиков Ю. В. Природа и человек. – М: Просвещение, 1991. 223 с.
3. Михеев А. В. и др. Охрана природы: (факультативный курс). Пособие для учащихся.
– М: Просвещение, 1983, 144 с.
4. Алексеев С. В. и др. Изучаем экологию экспериментально. Практикум по
экологической оценке состояния окружающей среды. – С. – П.: 1993.
5. Журнал «Химия в школе» № 5 , 2007.
6. Экологическая газета.
17
Приложение
Классы повреждения и усыхания хвои. Повреждения: I – хвоинки без пятен, II – хвоинки с
небольшим числом мелких пятнышек, III – хвоинки с большим числом черных и желтых
пятен, некоторые из них крупные, во всю ширину хвоинки. Усыхание: I – усох кончик на 25 мм, II – усохла треть хвоинки, III – вся хвоинка желтая или более половины ее длины
сухая.
18
Компоненты ветви хвойного дерева, служащие биоиндикатором. А1, А2, А3 – побеги
первого, второго и третьего года жизни; Б1, Б2, Б3 – хвоя первого, второго и третьего года
жизни; В – мутовка; Г – почки
19