Всероссийская олимпиада школьников по экологии 2015-2016 гг. Региональный этап
advertisement
Всероссийская олимпиада школьников по экологии 2015-2016 гг. Региональный этап ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ Тема: Оценка качества среды городка Нефтяников в г.Омске методом асимметрии листов берёзы Выполнила Бурнусуз Александра, ученица 10-1 класса БОУ "Гимназия №19" Руководитель проекта БОУ «Гимназия №19» Профис Юлия Львовна Омск 2016 Содержание Введение................................................................................................................... 3 1. Обзор литературы..................................................................................................5 2. Материалы и методика.........................................................................................10 3. Результаты и их обсуждение................................................................................12 Вывод..........................................................................................................................13 Заключение.................................................................................................................14 Используемая литература..........................................................................................15 Приложения................................................................................................................16 Введение Экологическая обстановка, сложившаяся на планете к настоящему времени, вызывает серьёзную озабоченность во всем мире. Интенсивный рост промышленного производства, количества автотранспорта в городах, химизации, добыча полезных ископаемых и многие другие антропогенные факторы нарушают экологическое равновесие. Человек действует, не считаясь с законами живой природы для удовлетворения своих потребностей, и в конечном итоге, ставит себя в еще большую зависимость от состояния окружающей среды. Для выживания и дальнейшего развития человечества необходимо постоянно исследовать состояние окружающей среды, а также анализировать, оценивать и прогнозировать динамику явлений и процессов, происходящих в окружающем мире, с целью принятия экологически грамотных решений в сфере взаимодействия природы и общества. Оценка качества среды становится принципиально важной задачей как при планировании, так и при осуществлении любых мероприятий по природопользованию, охране природы и обеспечению экологической безопасности. Одним из перспективных подходов для интегральной характеристики качества среды является оценка состояния живых организмов по стабильности развития, которая характеризуется флуктуирующей асимметрии морфологических структур. В последние годы «здоровье среды» все чаще оценивают по степени флуктуирующей асимметрии билатерально-симметричных структур населяющих ее организмов. Предполагается, что, чем менее благоприятны условия окружающей среды, тем больше нарушений они вызывают в процессе онтогенеза растений, и тем сильнее проявляются морфологические различия между правой и левой сторонами их тела. Величина этих различий, именуемая показателем флуктуирующей асимметрии, служит критерием устойчивости развития. Цель исследования: Оценить экологическое состояние городской среды Омска с применением метода флуктуирующей асимметрии на растительных тест-системах. Задачи работы: Познакомиться с основными положениями теории «стабильного развития» В.М. Захарова; Исследовать признаки асимметрии листьев берёзы повислой (Betula Pendula), растущей в городке Нефтяников в г.Омске; Провести численную оценку асимметрии листовых пластинок берёзы повислой (Betula Pendula) и на основе этого показателя определить качество здоровья среды для данного вида; Определить значения показателя асимметричности и степени антропогенной нагрузки. Объект исследования: В качестве объекта исследования для определения степени нарушения стабильности развития выбрана берёза повислая (Betula Pendula). Предмет исследования: Флуктуирующая асимметрия листа берёзы повислой (Betula Pendula). Гипотеза: Состояние воздушной среды в городке Нефтяников г.Омске отклоняется от нормы. Методы: Полевые наблюдения, эксперимент Практическая значимость данного исследования заключается в его простоте и доступности как школьникам, так и службам надзора за экологическим состоянием атмосферы. Глава 1. Обзор литературы 1.1. Понятие экологического мониторинга Для контроля состояния водной, наземно-воздушной и почвенной среды обитания современная наука использует экологический мониторинг. Экологический мониторинг является комплексным мониторингом биосферы. Он включает в себя контроль за изменением состояния окружающей среды под влиянием как природных, так и антропогенных факторов. Термин "мониторинг" образован от лат. monitor - наблюдающий, предостерегающий. Существует несколько современных формулировок определения мониторинга. Некоторые исследователи под мониторингом понимают систему повторных наблюдений за состоянием объектов окружающей среды в пространстве и во времени в соответствии с заранее подготовленной программой. Более конкретная формулировка определения мониторинга предложена академиком РАН Ю.А. Израэлем в 1974 г.: мониторинг состояния природной среды, и в первую очередь загрязнений и эффектов, вызываемых ими в биосфере, - комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биосферы или ее отдельных элементов под влиянием антропогенных воздействий. К целям мониторинга относятся: 1. оценка наблюдаемых изменений 2. выявление эффекта деятельности человека, 3. прогноз предполагаемых изменений состояния окружающей среды, 4. принятие решений для предотвращения отрицательных последствий деятельности человека 5. разработка стратегии оптимального отношения общества к окружающей среде. 1.2. Классификация видов мониторинга Мониторинг включает в себя следующие основные практические направления: наблюдение за состоянием окружающей среды и факторами, воздействующими на нее; оценку фактического состояния окружающей среды и уровня ее загрязнения; прогноз состояния окружающей среды в результате возможных загрязнений и оценку этого состояния. Объектами мониторинга в первую очередь являются: атмосфера (мониторинг приземного слоя атмосферы и верхней атмосферы); атмосферные осадки (мониторинг атмосферных осадков); поверхностные воды суши, океаны и моря, подземные воды (мониторинг гидросферы); криосфера (мониторинг составляющих климатической системы). По объектам наблюдения различают: атмосферный, воздушный, водный, почвенный, климатический мониторинг, мониторинг растительности, животного мира, здоровья населения и т.д. Существует классификация систем мониторинга по факторам, источникам и масштабам воздействия. Мониторинг факторов воздействия - мониторинг различных химических загрязнителей (ингредиентный мониторинг) и разнообразных природных и физических факторов воздействия (электромагнитное излучение, радиоактивные излучения, солнечная радиация, акустические шумы и шумовые вибрации). Мониторинг источников загрязнений - мониторинг точечных стационарных источников (заводские трубы), точечных подвижных (транспорт), пространственных (города, поля с внесенными химическими веществами) источников. Классификация систем мониторинга может основываться и на методах наблюдения (мониторинг по физико-химическим и биологическим показателям, дистанционный мониторинг). Химический мониторинг - это система наблюдений за химическим составом (природного и антропогенного происхождения) атмосферы, осадков, поверхностных и подземных вод, вод океанов и морей, почв, донных отложений, растительности, животных и контроль за динамикой распространения химических загрязняющих веществ. Физический мониторинг - система наблюдений за влиянием физических процессов и явлений на окружающую среду (электромагнитные излучения, радиация, акустические шумы и т.д.). Экобиохимический мониторинг - мониторинг, базирующийся на оценке двух составляющих окружающей среды (химической и биологической). Биологический мониторинг - мониторинг, осуществляемый с помощью биоиндикаторов (т.е. таких организмов, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде). 4 1.3. Биоиндикация как метод экологического мониторинга Биоиндикация — оценка качества среды обитания и её отдельных характеристик по состоянию биоты, проводится в природных условиях. Для учёта изменения среды под действием антропогенного фактора составляются списки индикаторных организмов — биоиндикаторов (тех же тест-объектов). 6 Биоиндикаторы — виды, группы видов или сообщества, по наличию, степени развития, изменению морфологических, структурно-функциональных, генетических характеристик которых судят о качестве среды и состоянии экосистем. Примерами биоиндикаторов являются лишайник, зоо- и фитопланктон и другие организмы. 5 Биоиндикация – это совокупность методов определения с помощью живых организмов последствий воздействия естественных и антропогенных факторов на биоту и биокосные объекты природной среды. Основная цель биоиндикации состоит не в измерении параметров среды, а в изучении ответа живых систем на ее воздействие. Поэтому инструментальные методы измерения загрязнения ОС не могут заменить биоиндикации. В настоящее время в биологической индикации выделяют 3 основных направления: 1) биоиндикация действия на организм естественных природных факторов (климата, фонового геохимического состава почв и воды, взаимоотношений между организмами); 2) биоиндикация чрезмерной эксплуатации биологических ресурсов человека (перевыпас, засоление, нерациональная мелиорация, сведение лесов и др.); 3) биоиндикация на различных уровнях организации биосистем антропогенного загрязнения биосферы. В биоиндикационных исследованиях рекомендуется следовать 4 основным принципам: 1) биоиндикация должна осуществляться в относительно короткий промежуток времени; 2) биоиндикация должна давать точные и воспроизводимые результаты; 3) численность объектов, используемых в биоиндикации должна быть достаточной для проведения полноценных исследований; 4) погрешность биоиндикационных исследований не должна превышать 20 % по сравнению с другими (инструментальными) методами. Точность большинства биологических натурных исследований составляет 10%. [1] 1.4. Области применения биоиндикаторов при оценке качества воздуха, воды и диагностики почв. Оценка качества воздуха. Как известно, воздух представляет собой смесь определённых газов, повсюду на Земле представленных приблизительно в равных объёмных долях. Загрязнение воздуха имеет место в том случае, если в смеси имеются вещества в таких количествах и так долго, что создают опасность для человека, животных, растений или имущества. От загрязнения воздуха страдают все живые организмы, но особенно растения. По этой причине растения, в том числе низшие, наиболее пригодны для обнаружения начального изменения состава воздуха. Соответствующие индексы дают количественное представление о токсичном эффекте загрязняющих воздух веществ. Оценка качества вод. Для биологической индикации качества вод могут быть использованы практически все группы организмов, населяющие водоёмы: планктонные и бентосные беспозвоночные, простейшие, водоросли, макрофиты, бактерии и рыбы. Каждая из них, выступая в роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют границы её использования при решении задач биоиндикации, так как все эти группы играют ведущую роль в общем круговороте веществ в водоёме. Организмы, которые обычно используют в качестве биоиндикаторов, ответственны за самоочищение водоёма, участвуют в создании первичной продукции, осуществляют трансформацию веществ и энергии в водных экосистемах. Всякое заключение по результатам биологического исследования строится на основании совокупности всех полученных данных, а не на основании единичных находок индикаторных организмов. Как при выполнении исследования, так и при оценке полученных результатов необходимо иметь в виду возможность случайных, местных загрязнений в точке наблюдения. Например, разлагающиеся растительные остатки, труп лягушки или рыбы могут вызывать местные изменения в характере населения водоёма. Высшие водные растения среди вышеуказанных групп организмов-индикаторов являются наименее изученным звеном, хотя имеют ряд преимуществ. Они представляют собой видимый невооружённым глазом и поэтому весьма удобный для наблюдения объект, а также дают возможность при рекогносцировочном гидробиологическом осмотре водоёмов в первом приближении визуально оценить их экологическое состояние. Макрофиты позволяют определить трофические свойства воды, а иногда и специфику её химизма, что имеет существенное значение при биоиндикации чистых вод. Диагностика состояния почв. В основе принципа биологической диагностики почв лежит представление о том, что почва как среда обитания составляет единую систему с населяющими её популяциями разных организмов. Лучше других разработаны ботанические методы фитоиндикации и диагностики почв. Например, путём анализа состава и структуры растительных сообществ, распространения растений-индикаторов или определенных индикационных признаков у отдельных видов растений можно установить тип почвы, степень её гидроморфизма, развитие процессов заболачивания, соленакопления и т.д. Среди растений обнаружены индикаторы на тот или иной механический и химический состав почв, степень обогащённости питательными элементами, на кислотность или щелочность, глубину протаивания мерзлотных почв или уровень грунтовых вод. Теоретической предпосылкой применения почвенно-зоологического метода для целей диагностики почв является сформулированное М. С. Гиляровым в 1949 г. представление об «экологическом стандарте» вида - потребности вида в определенном комплексе условий среды. Каждый вид в пределах своего ареала встречается только в тех местообитаниях, которые обеспечивают полный комплекс необходимых для проявления жизнедеятельности условий. Амплитуда варьирования отдельных факторов среды характеризует экологическую пластичность вида. Эврибионты мало пригодны для индикационных целей, тогда как стенобионты служат хорошими индикаторами определенных условий среды и свойств субстрата. Это положение представляет собой общий теоретический принцип в биологической диагностике. Однако использование для индикации одного вида не дает полной уверенности в правильности выводов (здесь имеет место «правило смены местообитаний» и как следствие смена экологических характеристик вида). Лучше исследовать весь комплекс организмов, из которых одни могут быть индикаторами на влажность, другие - на температуру, третьи - на химический или механический состав. Чем больше общих видов почвенных животных встречается на сравниваемых участках, тем с большей долей вероятности можно судить о сходстве их режимов, а следовательно, о единстве почвообразовательного процесса. 5 1. 5. Понятие флуктуирующей асимметрии. Наиболее доступным методом изучения экологического состояния окружающей среды является метод флуктуирующей асимметрии. В. М. Захаров в своей книге "Асимметрия животных" рассматривает три типа асимметрии: направленную - когда нормой считается, что какая-то структура на одной стороне развита больше, чем на другой; антисимметрию - когда развивается отрицательная связь между сторонами тела (у человека главным считается либо левое, либо правое полушарие переднего мозга) и флуктуирующую. Последний тип он выделяет как способ исследования влияния внешних факторов на процессы развития организмов. Флуктуирующая асимметрия - следствие нарушения онтогенетических процессов, незначительная асимметрия, которая проявляется в той или иной степени у любого организма (например, форма и размер правого и левого глаза человека незначительно отличаются). Стоит отметить, что наличие данного типа асимметрии обусловлено генетически, поэтому может считаться нормой при определенных показателях. Для флуктуирующей асимметрии характерны ненаправленность, положительная связь сторон или ее отсутствие, незначительные различия между сторонами и отсутствие самостоятельного адаптивного значения. Уникальность данного типа асимметрии заключается в том, что в определенных условиях среды она может возникать даже при наличии у организма двух других типов, поэтому ее вполне можно использовать в биоиндикации. 3 2. Материалы и методика В качестве объекта исследования служили листья березы. Для исследования были собраны листья березы повислой, растущие на нижней части кроны. Отбирались случайным образом, но с наименьшими повреждениями и примерно одинакового размера. Сбор листьев проходил в городке Нефтяников около кинотеатра «Первомайский», на территории посёлка СибНИИСХоз Нами было собрано по 10 образцов листьев берёзы повислой (Betula pendula Roth) с пяти деревьев на каждом участке. Все листья с одной территории упаковывались в полиэтиленовый пакет, в него также помещали этикетку с названием места сбора. Материал был обработан сразу после сбора. Исследования проводились в сенябре 2016 года. 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; 5 - угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка. Для измерений использовались штангенциркуль, линейка и транспортир. Все расчеты производились с помощью программы Microsoft Office Excel 2010. Оценка стабильности развития по каждому признаку сводилась к оценке асимметрии (учет различий в значениях признаков слева и справа). В первом действии для каждого промеренного листа вычислялось отношение величин асимметрии для каждого признака, для этого разность между промерами слева (L) и справа (R) делят на сумму этих же промеров (L-R) / (L+R). Во втором действии вычислялся показатель асимметрии для каждого листа, для этого суммируют значение отношения величин асимметрии по каждому признаку и делят на число признаков. В третьем действии мы вычисляли показатель стабильности развития, для этого вычисляли среднее арифметическое всех величин асимметрии для каждого листа. [2] Для оценки качества среды использовалась пятибалльная шкала степени нарушения стабильности развития Вetula pendula Roth, разработанная В.М. Захаровым и др. (табл. 1). Таблица 1. Балльная шкала оценки качества среды по величине флуктуирующей асимметрии листа Вetula pendula Roth (по В.М. Захарову, 2000) Балл Качество среды ФА I Условно нормальное < 0,040 II Начальные (незначительные) отклонения от нормы 0,040–0,044 III Средний уровень отклонений от нормы 0,045–0,049 IV Существенные (значительные) отклонения 0,050–0,054 от нормы V Критическое состояние > 0,054 3. Результаты и их обсуждение. Измерения листьев проводились в трех точках городка Нефтяников. Рассчитав показатель асимметричности для каждой площадки в отдельности, мы сравнили полученные значения и сделали выводы о состоянии окружающей среды в разных частях Советского округа г.Омска. Все полученные результаты занесены в таблицу 2. Расчеты приведены в приложении (Рис. 4,5,6). Таблица 2. Интегральные показатели стабильности развития. Место сбора образцов Интегральный показатель асимметрии Балл состояния. Кинотеатр "Первомайский" 0,035 1 Посёлок "Сибниисхоз" 0,007 1 Зелёный остров 0,009 1 Как видно из таблицы 2, все обследованные зоны характеризуются уровнем флуктуирующей асимметрии листьев Betula Pendula Roth, не превышающим величину условной нормы (< 0,040), что соответсвует 1 баллу по шкале оценки качества среды по величине ФА и характеризуется как условно нормальное состояние окружающей среды. При сравнении результатов, можно заметить (Диаграмма 1), что наиболее высокие показатели зафиксированы в районе кинотеатра "Первомайский" (0,0035). Таким образом, проведенное нами исследование свидетельствует о том, что во всех обследованных зонах городка Нефтяников ситуация вполне благоприятная. Для того, чтобы узнать более точные характеристики, необходимо воспользоваться инструментальными методами анализа. EMBED Excel.Chart.8 \s Вывод С помощью метода, основанном на флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой, была проведена оценка экологического состояния воздушной среды г.Омска. Результаты в трех исследуемых точках оказались в пределах условной нормы. Все поставленные задачи были выполнены. Выдвинутая гипотеза не подтвердилась - состояние воздушной среды в городке Нефтяников в г. Омске удовлетворительное. Заключение Нами было проведено исследование экологического состояния разных участков городка Нефтяников. Полученные данные позволяют судить о взаимосвязи величины ФА с расстоянием исследуемых зон от источников загрязнения. Самые высокие показатели флуктуирующей асимметрии были зафиксированы в районе кинотеатра "Первомайский": он располагается ближе к промышленным предпиятиям (Омский нефтеперерабатывающий комплекс, завод СК), чем две СибНИИСХОз и Зеленый остров. На этих площадках показатели флуктуирующей асимметрии значительно ниже. Но несмотря на то, что состояние качества среды в городке Нефтяников г.Омска по показателям ФА листьев Betula Pendula Roth неоднородно, во всех обследованных площадках наблюдается уровень ФА, не превышающий величину условной нормы (< 0,040), что соответствует в среднем 1 баллу по шкале оценки качества среды и характеризуется как условно нормальное состояние окружающей среды. Возможно, это потому что действующие предприятия Омска стали работать не в полную силу или использовать более "чистые" технологии. А это значит, что экологические проблемы перестали быть пустым звуком для промышленников. Несмотря на это, прекращать мониторинг не следует. Тем более, что это не так трудно, как кажется. Список литературы Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. Шуберт,Р.,1988 год. Москва, издательство «Мир» Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. Под ред. Мелеховой О.П., Егоровой Е.И. - М.: Академия, 2007. Хотунцев, Ю. Л. Экология и экологическая безопасность : Учебное пособие – М. : Academia, 2004. Захаров, В.М. Здоровье среды: методика оценки/ В.М. Захаров, А.С. Баранов, В.И. Борисов и др.. - Москва, 2000. Федеральный закон от 10.01.2002 N 7-ФЗ (ред. от 29.12.2015) "Об охране окружающей среды", главаX. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. – Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. http://ecograde.bio.msu.ru/library/dictionary.html Приложения Рисунок №1. Берёза Повислая (Betula Pendula) Рисунок № 2. Метод В.М.Захарова Рисунок № 3. Измерение листьев Рисунок № 4. Расчеты по точке Кинотеатр "Первомайский" Рисунок № 5. Расчеты по точке поселок Сибниисхоз Рисунок № 6. Расчеты по точке Зеленый остров PAGE \* MERGEFORMAT 2
