Научно исследовательская работа: "Биоиндикация загрязнения воздуха в Карасукском районе по состоянию сосны обыкновенной"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение основная общеобразовательная школа №4 Карасукского района

Исследовательская работа по экологии «Биоиндикация загрязнения воздуха в Карасукском районе по состоянию сосны обыкновенной».

                                                                                                                                                           Выполнила:                                                                                                                                     Радушкина Юлия                                                                                                                                  учащаяся 9 А класса  

                                                                                                                                   Руководитель:                                                                                                                                     Баранникова Светлана  Николаевна                  

                                                             Карасук 2012-2013

                                                                     Содержание

Введение                                                                                                         3 стр.

Основная часть                                                                                          4-13стр.

Глава 1. Теоретическая часть-                                                                  4- 9 стр.

1. Обзор использованной литературы –                                             5 стр.

2. Теоретическое обоснование метода биоиндикации –                5-6стр.
         3. Карасукский район. Источники загрязнения -                            7-8стр.

4.Биологическая характеристика вида сосна обыкновенная        8-9 стр.

Глава 2. Исследовательская часть-                                                      10- 13 стр.

1.Методика проведения исследования-                                           10стр.

2. Эксперимент.№1 Определение состояния хвои сосны обыкновенной  для оценки загрязненности воздуха-                                                    10-12стр.

3. Эксперимент №2 Оценка состояния воздуха при помощи химических индикаторов.                                                                                                 13 стр.

3.Выводы                                                                                            14  стр.

Заключение                                                                                                 14 стр.

Литература  -                                                                                                 15стр.

ВВЕДЕНИЕ.

Тема работы: «Биоиндикация загрязнения воздуха в Карасукском районе по состоянию сосны обыкновенной». Я считаю эту тему актуальной на сегодняшний день, так как сохранение качества окружающей среды и здоровья населения находится в числе самых острых проблем современности. Роль зеленых насаждений очень велика. Они снижают запыленность и загазованность воздуха, выполняют ветрозащитную функцию, обладают фитонцидным действием, борются с шумом, влияют на тепловой режим и влажность воздуха. Атмосферный воздух занимает особое положение среди других компонентов биосферы. Значение его для всего живого на Земле невозможно переоценить. Человек может находиться без пищи пять недель, без воды – пять дней, а без воздуха всего лишь пять минут. При этом воздух должен иметь определённую чистоту и любое отклонение от нормы опасно для здоровья. Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем различными способами – от прямой и немедленной угрозы до медленного и постоянного разрушения различных систем жизнеобеспечения организма. Вот почему охрана атмосферного воздуха – ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды. Сосновые насаждения – очистители воздуха от пыли, что зависит от хвои, её количества и поверхности. У хорошо развитого взрослого дерева сосны общая длина хвоинок превышает 200км. Этим определяется высокая фильтрующая способность дерева.

АКТУАЛЬНОСТЬ:

Загрязненный воздух отрицательно влияет на окружающую среду.

Цель:

 Выявить загрязнение воздуха в Карасукском районе по состоянию сосны обыкновенной.

Задачи:

1. Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы.
2. Уточнить данные относительно экологического состояния леса.
3. Предложить практические рекомендации по мерам охраны на исследуемой территории.

Методы Исследования:
- Теоретический метод

- Морфометрический

- Биоиндикация

- Сравнение

- Химический

- Математический метод

Этапы исследования.

1 этап. Выбор объекта исследования (октябрь 2011).

2 этап. Сформулировать цель исследования (ноябрь 2011).

3 этап. Выдвинуть гипотезу исследования (ноябрь 2011).

4 этап. Сформулировать задачи исследования (декабрь 2011).

5 этап. Изучение и анализ литературы (декабрь-январь 2012).

6 этап. Выбор методов исследования. (февраль 2012).

7 этап. Проведение экспериментов, систематизация работы, анализ результатов (февраль 2012, 2013).

8 этап. Написание работы. Оформление исследовательской работы (март 2012, 2013).

9 этап. Составить доклад (март).

10 этап. Подготовить компьютерную презентацию (март 2013).

Глава 1. Теоретическая часть.

1.Обзор использованной литературы

Природная среда претерпевает большие изменения под влиянием деятельности человека. Растения являются важным элементом биологического мониторинга, так как  чутко реагируют на состояние природной среды.  Поэтому исследователи рассматривают растения как наиболее чувствительные и надёжные индикаторы загрязнённости атмосферы (Артамонов В.И., 1989). Отрицательно воздействуют на растения практически  все  выбросы, но особенно: окислы серы, частицы тяжёлых металлов, соединения фтора, углеводороды, окись углерода, содержащаяся в выхлопных газах автомобилей. Растения рано стареют, редеет и уродуется их крона, преждевременно желтеют и опадают листья и хвоя. По мнению Артамонова В.И. индикатором загрязнённости атмосферы может служить сосна обыкновенная. В нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3-4 года, а поблизости от источников загрязнения атмосферы – значительно раньше. Особенно чутко реагирует сосна на загрязнения сернистым газом. Под его  влиянием  хвоя сосны в зонах сильного загрязнения приобретает тёмно-красную окраску, затем отмирает и опадает, просуществовав всего год (Биоиндикация загрязнений … , 1988).

У сосны периодическое воздействие окислов азота и серы вызывает опадание хвои, которая сохраняется лишь на побегах последнего года (Илькун Г.М., 1971). Фитоиндикация важна не только специалистам, каждый человек должен знать окружающий его растительный мир, уметь пользоваться этим уникальным зеркалом природы.

2. Теоретическое обоснование метода биоиндикации.

Биоиндикация – это оценка состояния окружающей среды по реакции живых организмов (растения, животные).

Типы биоиндикаторов:

 1. Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы.

2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений.

Сущность биоиндикации  заключается в том, что определенные факторы среды

создают возможность существования того или иного вида. Виды, которые
позволяют выявить специфические особенности среды, называют индикаторами. Биоиндикация дает возможность судить об изменениях состояния среды и прогнозировать направление этих изменений. При изучении степени загрязнения окружающей среды важна реакция организмов на загрязнители. Систему наблюдений за этой реакцией называют биологическим мониторингом. Хвойные растения очень  чувствительны к загрязнению среды. Они особенно сильно страдают от сернистого газа. Продолжительность жизни хвои у сосны составляет 3-4 года. За это время она накапливает такое количество сернистого газа, которое может существенно превысить пороговые значения.

Под влиянием сернистого газа у сосны происходят следующие изменения:

- уменьшается  продолжительности жизни хвои;

- отмирают побеги;                                                                                                                                           - уменьшается ширина годичных колец;

- редеет  крона;

- появляются омертвления тканей (некрозы).

Остановимся на этих признаках.

Листопад (опадение хвои) у сосны происходит осенью. Зеленые  хвоинки располагаются на прошлогодних  побегах  и этого года, а желтые на более старых, которым уже более 3 лет. Также у сосны редеет  крона, появляется много сухих веток, покрытых редкой короткой хвоей. Сернистый газ поглощается растением через устьица, растворяется в жидкой фазе клеток (цитоплазме) и вызывает отравление живых тканей

Скорость  поступления  фитотоксиканта (природное или химические вещество, поражающее  растительность) сильно зависит от влажности воздуха и насыщенности листьев водой. Увлажненные хвоинки поглощают сернистый газ в несколько раз больше, чем сухие. Растение интенсивно накапливает в тканях серу. Молодые хвоинки  активнее поглощают сернистый газ, чем старые. Поэтому возраст сосновой хвои указывает на степень загрязнения. При концентрации сернистого газа 1:1000000 хвоя сосны опадает. Фотосинтез полностью прекращается. Появление омертвления тканей (некрозов) чаще проявляется на хвоинках сосны под влиянием загрязняющих веществ.

Различают следующие виды некрозов:

краевой некроз (по краям хвоинки);

серединный некроз (середина хвоинки);

точечный некроз – отмирание тканей листа в виде пятен, рассыпанных по всей поверхности хвоинки

Биоиндикация в наземно-воздушной среде с помощью растений

Фитоиндикация – использование растений для оценки качества среды. Поскольку наибольший эффект дает использование растительных сообществ,

то это направление получило специальное название – индикационная геоботаника.

Карасукский район.

Это – один из самых безлесистых районов Новосибирской области, хотя благодаря искусственно созданной системе лесных полос , сельхозугодия защищены от ветровой эрозии. Вообще, по природным условиям и климату в Карасукском районе уже можно почувствовать, что он находится совсем рядом с Республикой Казахстан: по территории района проходит республиканская трасса «Новосибирск—Павлодар»

Транспортная инфраструктура

По территории района проходит автомобильная дорога, связывающая Новосибирск с Павлодаром, поэтому район можно назвать воротами Сибири в Казахстан и Среднюю Азию. Город Карасук является достаточно крупным железнодорожным узлом, с севера на юг и с запада на восток район пересекают железнодорожные магистрали. На территории района 10 станций и остановочных пунктов. Железнодорожная станция «Карасук» является филиалом Западносибирской железной дороги с годовым объемом грузооборота до 50 млрд т/км, по Среднесибирскому ходу открыто прохождение тяжеловесных составов грузоподъемностью 18 тыс. тонн. Внешние связи Карасукского района также осуществляются по дороге федерального значения Новосибирск—Павлодар и Карасук - Татарская - Усть-Тарка.

Особенности экологической обстановки в Карасукском районе связаны с экологическими проблемами, обусловленными природными условиями и характером воздействия на них транспорта, коммунального и сельского хозяйства. Одним из факторов, влияющих на состояние окружающей среды, является шум, генерируемый транспортом, шум от автомагистралей, работа местных котельных, работающих на угле.

Значительную угрозу  окружающей среды диоксидами представляет выброс автомобильного транспорта. Электрические или магнитные загрязнения вносят в окружающую среду преимущественно ЛЭП. Железная дорога так же не лучшим образом влияет на состояние воздуха в районе. Работы по созданию природных зон, в том числе лесопарковых защитных поясов, территорий практически не ведутся. Основную рекреационную нагрузку несут зеленые зоны вокруг населенных пунктов. Считается, что для условий лесной полосы России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха сосновые леса. Это обуславливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния.

Биологическая характеристика вида сосна обыкновенная.

Сосна - одно из самых распространенных деревьев в нашей стране. Это дерево очень неприхотливо к почве. Сосну можно встретить на сухих песках и на моховых болотах, на голых меловых склонах и на гранитных скалах. Но зато в отношении света сосна очень требовательна. Она совершенно не выносит затенения. Это одна из наших самых светолюбивых древесных пород.

Длинные узкие хвоинки сосны располагаются па ветвях парами. После отмирания они так же остаются соединенными и опадают вместе. Массовое опадение сухой сосновой хвои происходит осенью. А незадолго до этого в кронах сосен бывает хорошо заметна своеобразная пестрота: часть хвои зеленая, а часть - желтая. Если присмотреться, нетрудно заметить, что зеленые хвоинки располагаются на побегах данного года и прошлогодних, а желтые - на более старых побегах, которым уже три года. В средней полосе страны хвоинки сосны живут обычно не более двух - трех лет. На Крайнем Севере и в других районах с суровым климатом «век» хвоинок гораздо больше.

Каждую весну у сосны распускаются почки и появляются молодые побеги, как у лиственных деревьев. У основания некоторых, только что появившихся побегов можно заметить плотные светло - желтые грозди мужских шишечек. Эти шишечки невелики - каждая меньше косточки вишни. В них созревает пыльца, которая высыпается затем в виде желтого порошка и разносится ветром. Отдельная пылинка очень мала и чрезвычайно легка. Когда смотришь на нее в сильную лупу, она выглядит как маленький шарик с двумя мешковидными выростами по бокам. Эти мешочки заполнены воздухом. Сосна производит огромное количество пыльцы, но лишь ничтожный ее процент попадает на женские шишечки и производит опыление. Вся остальная масса пыльцы погибает.

Женские шишечки сосны можно найти весной на концах молодых побегов. Они имеют вид крохотных зернышек размером немного больше булавочной головки и не очень заметны среди окружающих их хвоинок. Обычно на конце побега бывает только одна шишечка.

После опыления шишечка - крупинка проходит долгий путь развития, прежде чем станет зрелой деревянистой шишкой. На это уходит почти два года. К осени первого года шишечка вырастает до размера горошины. Основной ее рост происходит па втором году. Она становится крупной, зеленой, а под коней коричневатой. К зиме в ней полностью созревают семена.

Рассеивание семян происходит весной. Выпав из шишки и оказавшись в воздухе, семя, снабженное небольшим пленчатым крылышком, начинает очень быстро вращаться, как маленький пропеллер. Это имеет определенный биологический смысл. Крутящееся семя опускается сравнительно медленно, и ветер может отнести его достаточно далеко от материнского дерева.

Семена сосны похожи по внешнему виду на семена ели. Но отличить тс и другие нетрудно, надо только посмотреть, каким образом прикрепляется семя к крылышку.

Сосна - одна из самых чувствительных к длительному загрязнению воздуха древесных пород, потому именно ее  мы выбрали для выполнения своей работы в качестве биоиндикатора.

Самый распространенный вид сосны, произрастающей в России—сосна обыкновенная (Pinus silvestria L.). 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.

Сосна, важнейший индикатор антропогенного влияния, принимаемого в настоящее время за «эталон биодиагностики». Информативными по загрязнению являются морфологические и анатомические изменения, а также продолжительность жизни хвои.

Поскольку хвоинки живут в норме 4 года, то четырехлетние побеги должны быть покрыты хвоинками. При загрязнении продолжительность жизни хвои сокращается вплоть до одного года, соответственно большая часть ветвей оголена, а хвоинки остаются лишь на концах ветвей. Некрозы и продолжительность жизни хвои позволяет оценить степень загрязнения среды.

Эксперимент.№1 Определение состояния хвои сосны обыкновенной  для оценки загрязненности воздуха

Работа проводилась на территории   Карасукского района (Медвежка) в течении двух лет: февраль 2012, февраль 2013 года.

Выбор участка для исследования.     

 Для своей работы я решила использовать сосну обыкновенную, которая растёт в непосредственной близости к автотрассе Новосибирск - Павлодар. Я выбрала два разных участка, которые находятся на разном расстоянии от автотрассы.

Участок 1 – сосна находится от автотрассы на расстоянии 12  м.

Участок 2 -  сосна находится на расстоянии 25  м.

Методика работы

При выполнении данной работы мы руководствовались методикой, взятой из сборника Алексеева С.Б. и Беккера А.М. “Изучаем экологию – экспериментально”. По карте населённого пункта намечают точки обследования, причем, чем выше антропогенная нагрузка, тем ближе друг к другу расположены точки обследования (1,5-3  км). Работу надо спланировать так, чтобы все обследования намеченной территории были проведены в течение 2-4 дней. В намеченной точке обследования находят молодые 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).

Опыт №1

Нами были выбраны два участка: один близ дороги, другой в глубине леса. На территории данных точек обследования были выбраны для исследования по 3-5 молодых сосен до 2 метров в высоту. 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 хвоенных 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. С деревьев были собраны хвоинки по 100 штук с каждой зоны. Отобранный материал был внимательно изучен: всю хвою мы поделили на 3 группы:

1)Без видимых изменений
2) С краевым усыханием
3) Со срединным усыханием
Хвоинок с некрозами обнаружено не было.

В первой зоне близ трассы процент усыхания составил: 75%

Во второй зоне в глубине леса: 55% . По данным таблицы видно, что состояние сосны обыкновенной гораздо хуже на участке  №1, находящегося близ дороги. Данные цифры соответствуют норме (относительно чистый).

                                                              .11.

Опыт №2

Отбор проводили в феврале 2013 года по той же методике, на том же участке. Всю хвою поделили на три группы:

1.С краевым усыханием
2. Со срединным усыханием;
3. С точечным некрозом.

В первой зоне близ трассы процент повреждения хвои  составил: 85%

Во второй зоне в глубине леса: 75%

 Данные цифры, также, соответствуют норме (относительно чистый).

Сравнение результатов

 Составив сводную таблицу, мы сравнили полученные результаты с прошлогодними и заметили существенные отличия, процент повреждения хвои увеличился значительно, причем, появились хвоинки с точечным некрозом. Это свидетельствует об ухудшении экологической ситуации в районе.  

Эксперимент №2 Оценка состояния воздуха при помощи химических индикаторов.

Данные полученные методом биоиндикации мы решили проверить, с помощью мини экспресс лаборатории «Пчелка - У», а именно при помощи индикационных трубок входящих в его комплект, для экспресс анализа загрязненности воздуха на углекислый газ, сернистый газ и диоксид серы, так как сосна чувствительна именно к этим загрязнителям.

Индикаторные трубки являются удобным инструментарием для экспресс-контроля вредных химических веществ в газовых средах (воздухе, промышленных выбросах). Несмотря на то, что индикаторные трубки начали активно применяться еще в середине прошлого века, их использование в настоящее время приобретает все большую актуальность благодаря простоте, способности к количественному измерению, возможности осуществлять многокомпонентный анализ ограниченными средствами непосредственно на месте. Во многих ситуациях анализ с применением индикаторных трубок успешно заменяет сложные и дорогостоящие приборные и лабораторные методы. На основании полученных данных устанавливают возможность применения индикаторных трубок для планового или оперативного контроля. Результаты измерений  трубками  индикаторными хорошо согласуются с данными, полученными по методикам. Индикаторные трубки могут успешно использоваться для предварительной оценки качества воздуха и других газовых сред, связанной с защитой здоровья населения, охраной окружающей среды.

Руководствуясь правилами, описанными в экологическом практикуме, я  при помощи сильфонного аспиратора АМ-5 сделала заборы воздуха; предварительно пропустив его через индикационные трубки.

Все показатели, полученные в результате измерений , соответствуют ПДН.  

Выводы:

1. Мы на опыте убедились, что метод биоиндикации по сосне обыкновенной действительно можно применять для определения загрязненности воздуха.
2. Уровень загрязненности воздуха соответствует ПДН
3. Экологическая ситуация в районе ухудшается

Заключение:

Источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы, а также нарушения экологического равновесия в биосфере,  множество. Однако самыми значительными из них являются два: транспорт и промышленность. Источниками загрязнения нашего района являются выхлопные газы автомобилей и железная дорога.

Сосновые леса наиболее чувствительны к загрязнению воздуха. Поэтому в перспективе  можно продолжить мониторинг участков не только по состоянию хвои, но и по шишкам сосны.

Экосистема в Медвежке  значительно разрушена, восстановительные мероприятия малоэффективны.  Единственным способом продлить существование данной экосистемы является: поддержание чистоты , создание ограждений, препятствующих движению транспорта.

Мои  предложения по сохранению чистоты воздуха в городе и районе:
1. Тщательная очистка газов на предприятиях (использование фильтров, абсорберов и т.д.) и создание таких предприятий, на которых выбросы газов в атмосферу отсутствуют.
2. Вести поиски и переходить на другие виды топлива, связанные с уменьшением вреда окружающей среде.
3. Как можно больше делать насаждений в городе и пригородной зоне.
4. Восстанавливать вырубленные леса, при добыче древесины.
5. Может быть, необходимо создать комиссию по контролю выбросов загрязнений в воздух.

Список использованной литературы:

1. Ашихмина  Т.Я.  Школьный экологический мониторинг. Учебно-метод. Пособие,М.: АГАР, 2000
2. Ашмарин И.П., Воробьев А.А. Статистические методы в микробиологических исследованиях, Л., 1962
3. Амбарцуман В.В., Носов В.Б., Тагасов В.И.. Экологическая безопасность автомобильного транспорта. – М.: ООО Издательство «Научтехлитиздат», 1996.
4. Алексеев С.В. И другие. Практикум по экологии. – М: АО МДС , 1996
5. Биология в школе. Научно-методистический журнал. №1,2 2007
6. Биология. Газета.»2, 2002
7. Биоиндикация загрязнения наземных экосистем  /Под ред. Р. Шуберт. М.: Мир,1988.
8. Дорохина Л.Н и другие. Руководство к лабораторным занятиям по ботанике с основами экологии. – М.: Просвещение, 1986
9. Лесная энциклопедия : В 2-х т./Гл. ред. Воробьев Г.И.; Ред. Кол.: Анучин Н.А. и др. –М.: Сов. Энциклопедия, 1985.-563 с.,ил.
10. Литвинов Н.И. Экологический словарь. Иркутск. 2003.
11. «Экология растений с основами биогеоценологии» , И.Н. Пономарева.