Мониторинг воздушной среды биоиндикационным методом

КОНКУРС УЧЕНИЧЕСКИХ РЕФЕРАТОВ
УЧАЩИХСЯ 5-8 КЛАССОВ
«КРУГОЗОР»
Естественные науки: экология
Мониторинг воздушной среды
биоиндикационным методом
ЛОГИНОВ ВЯЧЕСЛАВ
МАОУ «ГИМНАЗИЯ № 57», 7 КЛАСС
г. Набережные Челны
Научный руководитель:
Кропачева Л.Л., учитель биологии
г. Набережные Челны
2011г
Содержание
I.
Введение……………………………………………………3
II.
Литературный обзор……………………………………….5
III.
Физико-географическая характеристика
Района……………………………………………………….7
IV.
Методика исследований………………...............................9
V.
Результаты исследований…………………………………11
VI.
Выводы ………………………………….............................13
VII. Заключение………………………………………………...14
VIII. Список использованной литературы…………………….15
2
I. Введение.
Тема
моей
научно-исследовательской
работы
–
«Мониторинг
воздушной среды биоиндикационным методом». Я считаю эту тему
актуальной в наше время, т.к. в современный период атмосфера Земли
претерпевает множественные изменения: модифицируются ее свойства и
газовый состав, возрастает опасность разрушения озонового слоя;
повышается ее запыленность; нижние слои атмосферы насыщаются
вредными для живых организмов газами и веществами промышленного и
другого хозяйственного происхождения. Вследствие огромных выбросов
техногенных газов и веществ, происходит нарушение газового состава
атмосферы[1].
Выбрасываемые в атмосферу выхлопные и топочные газы, частички
сажи и золы сразу же начинают участвовать в различных реакциях,
превращаясь сами или превращая другие вещества воздуха в опасные для
жизни загрязнители. Например, окислы серы, взаимодействуя с парами
воды, образуют мелкодисперсный аэрозоль серной кислоты.
Несгоревших остатков топлива зачастую оказывается так много, что
они образуют золу, частички которой на всех этапах ее сбора,
транспортировки и хранения неизбежно попадают в атмосферу.
В нашем регионе Нижнее Прикамье, куда входит г. Набережные
Челны,
сконцентрированы
машиностроительные
химические,
производства,
нефтяная
нефтехимические,
промышленность,
энергетика[1]. (Приложение 1).
Восток республики Татарстан является одним из крупнейших районов
нефтедобычи в России. Город Нижнекамск один из крупнейших центров
нефтехимической промышленности, здесь построены огромные
Дубровский А. Наш край: Нижнее Прикамье. Иллюстрированные краеведческие очерки. Казань: ОАО
ПИК Идел-Пресс, 2007.
Тайсин А.С. География Республики Татарстан. 8-9 классы. Казань. Издательство «Магариф», 2009.
3
предприятия «Нижнекамскнефтехим» и «Нижнекамскшина». На реке
Кама построена Нижнекамская ГЭС. В Набережных Челнах действует
крупнейшее предприятие машиностроительного комплекса (КАМАЗ),
построен картонно – бумажный комбинат, один из самых молодых и
современных предприятий бумажной промышленности.
С
древних
времён
промышленность.
В
в
Нижнем
городе
Прикамье
Набережных
развивается
Челнах
лесная
действует
деревообрабатывающий комплекс (ДОК), так же в регионе действует два
лесопромысловых хозяйства и несколько мебельных предприятий. В
регионе
интенсивно
животноводческие
ведётся
сельское
комплексы,
хозяйство,
предприятия
развивается
хлебопекарной
и
хлебобулочной промышленности, предприятия пищевой промышленности,
мясоконсервной промышленности и т.д. Растёт плотность населения,
выросло число автотранспорта[1].
Безусловно, здесь есть проблемы, например, проблемы роста
загрязнения атмосферы региона. Атмосферный воздух загрязняется газами,
пылью
и
другими
промышленными
твёрдыми
предприятиями,
веществами,
выбрасываемыми
электростанциями,
котельными
установками, (Приложение 2) а также выхлопными газами автомобилей.
(Приложение
экологическую
3).Увеличение
количества
автомобилей
осложнило
обстановку, так как улицы городов оказались не
приспособленными для интенсивного движения автотранспорта1.
Автомобили, которые работает в основном
на дизельном топливе,
загрязняют городской воздух.
Цель. Оценить состояние воздушной среды в черте города Набережные
Челны биоиндикационным методом.
Задачи.
4

Определить состояние хвои сосны обыкновенной на ключевых
участках для оценки степени чистоты воздуха и сравнить
результаты диагностики;
 Выяснить
причину загрязнения атмосферы в черте города
Набережные Челны;
 Дать рекомендации по улучшению состояния воздушной среды в
черте города Набережные Челны.
Объект исследования.
Хвоя сосны обыкновенной.
II. Литературный обзор
Загрязнение атмосферы отрицательно влияет на зеленые насаждения,
приводя к нарушениям физиологических и биохимических процессов,
вызывая повреждение листьев, общее ухудшение существования и даже
гибель растений[1].
Загрязняющие вещества вызывают, в первую очередь, торможение
фотосинтеза, причиной которого может быть разрушение пигментов,
изменения в буферной системе и нарушения в слаженной работе
ферментов, участвующих в регуляции деятельности клетки
Проблема техногенного воздействия на природу особенно обострилась за
последние десятилетия. Воздействие техногенеза на окружающую среду
проявляется как за счет транспорта, так и за счет трансграничного
переноса
поллюнтантов[1].
В настоящее время оценка качества природной среды в мировой
практике
осуществляется
на
основе
экологического
мониторинга,
важнейшей частью которого является биологический мониторинг. При
осуществлении
последнего используется широкий набор методических
приемов, среди которых большинство исследователей отдает
5
предпочтение фитоиндикации, основанной на изучении уровня
антропогенного воздействия по реакции растительных объектов.
Методами биоиндикации определяется присутствие в окружающей
среде того или иного загрязнителя по наличию или состоянию
определенных организмов, наиболее чувствительных к изменению
экологической обстановки, т.е. обнаружение и определение биологически
значимых антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых
организмов и их сообществ[1].
Оценка жизненного состояния сосны обыкновенной базируется на
методе биоиндикации. Выбор сосны в качестве биоиндикатора не случаен.
Для оценки состояния атмосферного воздуха многие годы нами
используется биоиндикатор сосна обыкновенная.
Биоэкологические особенности сосны обыкновенной[1].
Род сосны включает около 100 видов, произрастающих в странах
умеренного пояса Северного полушария, а также в горах южных широт.
На
территории
России
распространенный
вид
имеется
сосны,
более
10
видов
произрастающей
в
сосен.
Самый
России—сосна
обыкновенная. Общими для этого вида чертами являются парное
расположение хвои на укороченных побегах, плоско-выпуклая форма
хвоинок в поперечном разрезе, крепкие деревянистые шишки с характерно
утолщенными концами чешуи, полуторагодичный период их созревания,
своеобразное сочетание семени с крылом и др. Эти признаки характерны
для всех сосен, произрастающих в различных частях ее обширного ареала.
Сосна обыкновенная — дерево первой величины. Ее ствол в
насаждениях прямой, как правило, высоко очищен от сучьев. Деревья,
выращенные на свободе и опушках леса, имеют меньшую высоту, с низко
расположенной
кроной.
В
молодости
крона
у
таких
деревьев
конусовидная, позже становится округленной или зонтиковидной, более
6
плоской. Это объясняется тем, что с 40—50 лет рост осевого побега
деревьев, растущих на свободе, значительно замедляется, а со 100—125
лет прекращается. Прирост боковых побегов хотя и замедляется, но не
прекращается, и вследствие этого крона приобретает округлую или
зонтиковидную форму. Кора в разных частях дерева отличается по цвету и
толщине. Нижняя часть дерева покрыта толстой, глубокобороздчатой,
красновато-бурой корой, верхняя часть ствола и крупные ветви — тонкой
оранжевой отслаивающейся пленкой, а молодые сосны и тонкие ветви—
гладкой серо-зеленой корой.
Почки у сосны засмоленные, красновато - бурые, удлиненнояйцевидные, острые, длина их 6—12 мм, располагаются на концах побегов
мутовками.
Хвоя сизо-зеленого цвета, расположена на побегах спирально, в пучках по
две; в основании окружена влагалищами из чешуй. С внутренней стороны
она плоская, с наружной выпуклая, жесткая на верхушке заостренная, по
краям мелкопильчатая. Устьица располагаются рядами на обеих сторонах
хвои, но обильнее на плоской. Длина хвои сосны обыкновенной
колеблется от 2. до 8 см. В пределах кроны одного дерева разница в длине
хвои составляет 2—3 см: наибольшей длины хвоя достигает на побегах
последних 6 лет и на осевом побеге. На северной части кроны длина хвои
меньше, чем на южной.
Длина хвои, а также продолжительность ее жизни являются важными
диагностическими
признаками
при
выделений
форм
сосны.
Продолжительность жизни хвои колеблется от 2 до 8 лет. В центральных
районах европейской части России продолжительность жизни хвои 2—3
года.
III Физико-географическая характеристика района[1].
7
Республика Татарстан расположена в восточной части ВосточноЕвропейской равнины, у слиянии великих рек Европы – Волги и Камы.
Строение
земной
поверхности
республики
определяется
её
расположением на Восточно-Европейской равнине. В целом поверхность
представляет собой волнистую равнину. В Татарстане наиболее широко
распространены формы рельефа, созданные текучими водами. Это
речные долины, балки, лощины, овраги и т.д.
Регион
расположен
в
средней
полосе
умеренного
пояса,
на
значительном удалении от океанов, поэтому климат здесь умеренно –
континентальный, с тёплым и жарким летом и умеренно холодной зимой.
Средняя температура самого тёплого месяца (июля) до +19,9. Средняя
температура самого холодного месяца (января) до – 14,5.
Большая часть осадков – 300-330 мм - выпадает в тёплое время года
(апрель-октябрь), а в холодное (ноябрь-март) - 130-160мм.
На климат Татарстана оказывают существенное влияние арктические,
умеренные и тропические воздушные массы. Приход арктических
воздушных масс сопровождается устойчивыми северными ветрами,
ясной и холодной погодой. С запада, со стороны Атлантического океана,
проникает
морской
значительное
умеренный
количество
влаги.
воздух.
Он
Изменяется
приносит
погода:
с
зимой
собой
она
становится довольно тёплой, а летом – прохладной. Важную роль в
формировании климата Татарстана играют тропический морской и
тропический континентальный воздух. Морской тропический воздух
приходит со стороны Средиземного моря и Средней Атлантики. Его
приход всегда вызывает потепление, случаются ливни. Зимой с ним
связано значительные оттепели. С вторжением континентального
тропического воздуха из Средней Азии и Казахстана связана засушливая
и жаркая погода в начале лета.
Почвенный
покров
Нижнего
Прикамья
отличается
большим
разнообразием. Под лесами в Закамье чаще встречаются темно-серые,
8
реже бурые почвы. Плодородию лесных почв в Закамье, в частности,
способствовало то, что местные леса росли близко от неглубоко лежащих
коренных карбонатных попрод, придающих почве щебнистость и
способствующих накоплению гумуса. Хорошо развитый травянистый
покров вместе с карбонатной материнской основой почвы способствовал
обогащению её органическими и минеральными веществами.
III.
Методика исследований
Растения позволяют узнать, насколько сильно загрязнен воздух, а
также каким именно веществом, поэтому оценку состояния воздушной
среды можно проводить с использованием биоиндикационного метода.
Биоиндикационный
метод
предусматривает
определение
степени
чистоты воздуха по реакции различных растений на опасные вещества,
попадающих в воздушный бассейн. Сильнейшее воздействие на
атмосферу оказывают загрязняющие вещества такие, как диоксид серы,
оксиды азота, углеводы и др. Например, диоксид серы образуется при
сгорании
серосодержащего
теплоэнергетики,
транспорта,
топлива
–
особенно
это
работа
дизельного.
предприятий
Устойчивость
растений к диоксиду серы различна[1].
Считается, что для условий лесной полосы России, где находится
территория Татарстана, наиболее чувствительны к загрязнению воздуха
сосновые
леса.
Информативным
признаком
определенного
уровня
загрязнения атмосферы является состояние хвои: изменение окраски
(хлороз, пожелтение), преждевременное увядание хвои и дефолиация,
время жизни, наличие некротических пятен. При этом форма и цвет
некротического пятна является специфической реакцией на определенный
вид загрязнения, а доля пораженной поверхности хвоинки может быть
использована для количественной оценки реакции фитоиндикатора[1].
9
По данным ряда ученых при сильной степени угнетения деревьев
выбросами обнаруживается дехромация хвои, уменьшаются, по сравнению
с фоновыми объем и поверхность побегов, количество пар хвоинок на этих
побегах. Выбор сосны обыкновенной в качестве основного видабиоиндикатора не случаен, т.к. сосна – одна из самых чувствительных к
длительному загрязнению воздуха древесных пород.
Признаки повреждения голосеменных растений при остром воздействии
пороговых концентраций газов в атмосферном воздухе: двуокись серы –
красно-коричневая суховершинность; двуокись азота – красно-коричневый
дистальный некроз хвои и веток; озон – дистальный некроз, прекращение
роста хвои; пероксиацетилнатрат – хлороз, раннее старение хвои;
фториды, редкие металлы, кислотный дождь (pH < 3,0), аммиак –
дистальный некроз; этилен – низкорослость, сброс хвои. Этим объясняется
выбор сосны обыкновенной как важнейшего индикатора, принимаемого за
«эталон биодиагностики». При хроническом загрязнении лесов диоксидом
серы наблюдаются повреждения и преждевременное опадение хвои
сосны[1].
Ключевые участки для мониторинга загрязнения атмосферы могут иметь
большую площадь и выбираются в однородном по видовому составу
массиве леса.
В незагрязнённых лесных участках основная масса хвои сосны
здорова, не имеет повреждений, и лишь малая часть хвоинок имеет
светло-зелёные
пятна
и
некротические
точки
микроскопических
размеров, равномерно рассеянных по всей поверхности (Приложение 4).
В загрязнённой атмосфере появляются повреждения, и снижается
продолжительность жизни хвои сосны[1]. (Приложение 5).
Методика индикации чистоты атмосферы по хвое сосны обыкновенной
состоит в следующем. По карте населённого пункта намечают точки
обследования. Все обследования намеченной территории проводятся в
течение 2-4 дней. В намеченной точке обследования находят молодые
10
сосны, произрастающие на открытом месте (поляне, опушке леса,
вырубке). Выбирают 3-5 молодых деревьев высотой 1-2 метра, стоящие
друг от друга на расстояние 10-15 метров. Если деревья высокие, то
обследования проводят, используя один из боковых побегов в четвёртой
сверху мутовке. При обследовании состояния хвои определяется степень
её повреждения и усыхания, а так же продолжительность жизни. При
этом объектом обследования является верхушечная часть ствола.
Внимательно
осматривают хвоинки
участка
центрального
побега
предыдущего года (второй сверху) и определяют по шкале класс
повреждения и усыхания хвои (следует иметь в виду, что шипик на конце
хвоинки всегда более светлый, поэтому его окраска не включается в
оценку).
С сосны отбирают 200-300 пар хвоинок второго и третьего года жизни.
Вся хвоя делится на три части: неповреждённая хвоя, хвоя с пятнами и
хвоя с признаками усыхания. Подсчитывают количество хвоинок в
каждой группе. Данные заносят в рабочую таблицу с указанием даты
отбора проб на каждом ключевом участке. Полученные результаты
сравниваются с результатами прошлых лет. Делается вывод об
изменениях загрязнения атмосферы[1].
Тест по Гертелю.
1. Собрать по 10 хвоинок одного возраста с сосен, произрастающих в
различных местах обитания, с различными условиями загрязнения
атмосферного воздуха.
2.
Поместить
их
в
пробирки,
залить
равным
количеством
дистиллированной воды.
3. С помощью спиртовки нагреть пробирки и кипятить в течение 5 минут.
4. Оценить, визуально сравнивая с чистой водой, степень помутнения воды
в пробирках. (Степень помутнения воды в пробирках пропорциональна
количеству воска на хвое).
11
IV.
Результаты исследований и их обсуждение
Методика мониторинга хвои сосны обыкновенной
Для мониторинга воздушной среды биоиндикационным методом по
сосне обыкновенной мною были выбраны следующие ключевые участки:
(Приложение 6).
1 участок – Лесной массив парка Культуры (ГЭС);
2 участок – Лесной массив парка Прибрежный;
3 участок – Насаждения по проспекту Дружбы Народов (проезжая часть
дороги возле 56 комплекса);
4
участок
–
Территория
промышленного
предприятия
«Челны
водоканал».
Хвоя взята в однородных по видовому составу ключевых участках.
Количество хвоинок взятых для мониторинга в пределах нормы. Хвоинки
взяты с нескольких боковых частей кроны 5-10 деревьев сосны
обыкновенной. Возраст деревьев примерно одинаков. Хвоинки 2-3 года
жизни.
Продолжительность
жизни
хвои
оценивают,
обследуя
верхушечную часть ствола за последние годы: каждая мутовка, считая
сверху – это год жизни. Определяют, сколько лет сохраняется хвоя
(максимальный возраст хвои), причём, если на самом нижнем из
охвоенных участков часть хвоинок опала, то оценивают примерную долю
сохранившихся. Таким образом, полный возраст хвои определяется
числом участков ствола с полностью сохранённой хвоёй плюс доля
сохранённой хвои на следующем за ним участке.
Вся хвою с каждого ключевого участка делил
на три части:
неповреждённая хвоя, хвоя с пятнами и хвоя с признаками усыхания.
12
(Приложение 7). Подсчитал количество хвоинок в каждой группе, нашёл
процент от общего числа. Данные занёс в таблицу.
Результаты мониторинга.
Повреждения и усыхание
Номера ключевых участков
хвоинок
1
2
3
4
210пар
220пар
200пар
190пар
с
2пары
2пары
68пары
3пары
с
0,95%
0,90%
37,7%
1.5%
с
1пара
2пары
76пар
2пары
с
0,41%
0,90%
42,2%
1,05%
01.08.10
06.08.10
03.080.10
05.08.10
Общее
число
обследованных хвоинок
Количество
хвоинок
пятнами
Процент
хвоинок
пятнами
Количество
хвоинок
усыханием
Процент
хвоинок
усыханием
Дата отбора проб
V. Выводы.
Проанализировал результаты проделанной работы. При одинаковых
климатических условиях и
одинаковой методике индикации чистоты
атмосферы по хвое сосны обыкновенной имею следующие результаты.
На участке проезжей части дороги возле 56 комплекса по проспекту
Дружбы Народов больше всего в сравнении с другими участками
хвоинок с пятнами - 37,7 % от общего количества хвоинок. 62.3% общего
количества хвоинок без пятен, зелёного цвета.42,2 % от общего числа
13
хвоинок с усыханием. Класс повреждения хвои – 2, класс усыхания хвои
-4.
На участках лесного массива парка «Прибрежный» и парка
«Культуры» (ГЭС) незначительное число, менее 1%, хвоинок с
усыханием и с пятнами. На территории промышленного предприятия
«Челны водоканал» хвоинок с усыханием чуть более 1% от общего числа
хвоинок, а хвоинок с пятнами 1,5 % от общего числа хвоинок. Класс
усыхания хвои – 1. Класс повреждения хвои – 1. (Приложение 7).
Результаты теста по Гертелю. (Степень помутнения воды в баллах).
Участки №1, №2, №4 – 4; №3 – 2.
Проанализировав
результаты
проведённого
мониторинга,
установил, что наименьший процент повреждённых хвоинок это на
участках №1 и №2, поэтому можно сделать вывод, что лесной массив в
парках Культуры и Прибрежный не загрязнён.
Небольшой процент
поврежденных хвоинок на территории Челны – водоканал говорит о том,
что на данном предприятии ведётся экологически чистое производство.
Наибольший процент поврёждённых хвоинок обнаружил на участке №4.
Установлено в районе проезжей части дороги по проспекту Дружбы
Народов загрязнение атмосферы веществами, образующимися в первую
очередь при работе двигателей автотранспорта, особенно дизельного. По
этому проспекту движется, выросший за последнее время во много раз,
поток автотранспорта, следующий в сторону автозавода и обратно.
VII. Заключение.
Лучшим средством очищения воздуха от вредных газов, пыли и других
твёрдых веществ является растительность. Зелёные насаждения не только
обогащают воздух кислородом, но и поглощают углекислоту, тяжёлые
металлы и микроэлементы, улавливают до 70-80 % пыли и аэрозолей,
увлажняют воздух, в два раза снижают городской шум. Дерево средней
14
величины за 24 часа восстанавливает столько же кислорода, сколько
необходимо его для дыхания трех человек1.(8)
Деревья эффективно улавливают пыль, причем 1га деревьев хвойных
пород задерживает за год до 40 т пыли, а лиственных — около 100 т. .
Полоса насаждений шириной 30 метров снижает уровень концентрации
углекислого газа на 70 %. Один гектар городских насаждений в сутки
поглощает от 30 до 70 кг пыли, снижает общую запылённость на 25-65 %.
Разные породы деревьев отличаются интенсивностью поглощения из
воздуха тех или иных веществ. Особое значение имеют растения,
высаживаемые около промышленных предприятий. Они должны хорошо
поглощать фитотоксины и быть устойчивы к ним[1].
Рекомендации.

Создавать «лесополосы» около промышленных предприятий.

Увеличить площадь
насаждений деревьев различных пород по
проспектам города.

Формировать большие и малые городские парки, бульвары,

скверы, лесонасаждения с пешеходными тротуарами, входящими в
жилые комплексы.

Строить мощные очистительные сооружения нескольких ступеней
очистки в промышленных зонах.

Использование экологически чистых технологий и оборудования.

Расширить производство более экологически чистых двигателей
для автотранспорта.
VIII. Список использованной литературы
1. Алексеев С.В., Беккер А.М. Изучаем экологию – экспериментально.
Санкт-Петербург, 1993.
2. Артамонов В.И. Зелёные оракулы. М.: Мысль, 1989.
15
3. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / Под редакцией
Р.Шуберта. Пер.с нем. / М.: Мир, 1988.
4.А. Г. Горшков, Т. А. Михайлова, Н. С. Бережная, А. Л. Верещагин
Хвоя сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.)
загрязнения
атмосферы
как биоиндикатор
полициклическими
ароматическими
углеводородами
Лимнологический
ул.
институт
Улан-Баторская,
3,
Сибирского
Иркутск
664033
отделения
(Россия)
РАН,
Е-mail:
[email protected]
5.Дубровский А. Наш край: Нижнее Прикамье. Иллюстрированные
краеведческие очерки. Казань: ОАО ПИК Идел-Пресс, 2007.
6. Елизарова Л.В. Экология и градостроительство //Промышленное
строительство, 1992, №6
7. Загрязнение воздуха и жизнь растений. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
8. Илькун Г.М. Газоустойчивость растений. Киев, 1971.
9. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение /Под ред.. В.А.
Алексеева. Л.: Наука, 1990.
10.Кузнецов В.Н. Экология. Справочные и дополнительные материалы к
урокам экологии. Москва. Дрофа, 2002.
11. Маргус М.М., Имелик О.И., Сарв И.Ф., Янес Х.Я. Лес и здоровье
человека. – М.: Лесная ромышленность, 1979.
12..Под редакцией Ашихминой Т.Я. Экологический мониторинг. Москва.
Академический Проспект, 2008.
13.Поповичев Б.Г. Влияние газов, выбрасываемых промышленными
предприятиями, на показатели качества семян сосны обыкновенной и
березы пушистой // Лесоводство, лесн. культуры и почвоведение. 1980.
14.Тайсин А.С. География Республики Татарстан. 8-9 классы. Учебное
пособие для общеобразовательной школы. 3-е издание, пересмотренное и
дополненное.
Рекомендовано
МОиН
РТ.
Казань.
Издательство
«Магариф», 2009.
16
15. Шуберт Р. Возможности применения растительных индикаторов в
биолого-технической системе контроля окружающей природной среды //
Сб. Проблемы фонового мониторинга состояния природной среды. — Л.:
ГМИ, 1982.
17