ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА "Биоиндикация как метод экологического мониторинга. Земноводные как модельные объекты биоиндикационных исследований"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

Перевозского муниципального района

Нижегородской области

Дубская основная общеобразовательная школа

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Биоиндикация как метод экологического  мониторинга.

 Земноводные как модельные объекты биоиндикационных исследований

Выполнила:

 ученица 8 класса

Зюзина Алена

         Научный руководитель:        

Учитель химии и биологии

                                                                        С.М. Страхова

Содержание

     Введение……………………………………………………………………3

1. Биоиндикационные исследования состояния окружающей среды как составная часть экологического мониторинга………………………....4
2. Исследовательская работа по изучению земноводных как биоиндикаторов…………………………………………………………..11

Заключение………………………………………………………………..16

     Список литературы……………………………………………………….17

3. Приложение……………………………………………………………….18

Введение

Сегодня во многих стран мира на одном из первых мест стоит проблема глобального экологического кризиса, которая требует радикального и неотложного решения. Одним из средств, преодоления глобального экологического кризиса и актуальной задачей всех цивилизованных стран, в том числе нашего государства, является интенсивность развития экологического образования.

Экологическое  образование нацелено на формирование новой личности интеллектуальной, творческой, нравственной, обладающей экологическим мышлением, осознающей значение окружающей среды и готовой  рациональному природопользованию. Чрезвычайно актуальной становится проблема использования  в практике экологического образования мониторинговых исследований состояния окружающей среды и, в частности  биоиндикационных исследований, позволяющих определить уровень антропогенного воздействия на природную среду по состоянию обитающих в ней живых организмов – биоиндикаторов.

Проблема использования биоиндикационных исследований нуждается в исследовании. Это обусловило актуальность исследования по теме «Биоиндикация как метод экологического мониторинга. Земноводные как модельные объекты биоиндикационных исследований».

Цель исследования состоит в изучении  земноводных как биоиндикаторов состояния окружающей среды.

Задачи исследования: 

- изучить теоретическую основу проведения биоиндикационных исследований;

- ознакомиться с методами биоиндикационных исследований.

1. Биоиндикационные исследования состояния окружающей среды как составная часть экологического мониторинга.

В большом энциклопедическом словаре понятие мониторинг рассматривается как «наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью человека» (10).

В справочнике «Охрана природы» мониторинг определяется как «система наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды, состоящая из трех ступеней: наблюдения, оценки состояния и прогноза возможных изменений» (7).

В обобщенном виде мониторинг состояния окружающей среды можно представить в виде системы:

Таблица 1.

Нас интересовал, главным образом, биологический мониторинг, под которым понимается «система наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в живой природе, вызванных антропогенной деятельностью» (4, с.16).

Структура биологического мониторинга строится, исходя из принципа, основанного на уровнях организации биологических систем. Молекулярному уровню организации соответствует генетический мониторинг, клеточному уровню - биохимический, организменному - физиологический, популяционному и биогеоценотическому уровням - экологический мониторинг:

 Таблица 2

Из схемы видно, что одним из основных элементов биологического мониторинга является экологический мониторинг.

Подробнее остановимся на экологическом мониторинге.

Главной целью экологического мониторинга является наблюдение, оценка и прогноз  

Состояния абиотической составляющей биосферы (в том числе изменение уровней загрязнения природной среды), ответной реакции экосистем на эти изменения и антропогенных изменений в экосистемах (4, с. 18).

                Способ оценки антропогенной нагрузки по реакциям на нее живых организмов и их сообществ получил название биоиндикации, а сами организмы - биоиндикаторов.

               Биоиндикаторы – группа особей  одного вида или сообщество, по наличию или  состоянию и поведению которых судят об естественных и антропогенных изменениях состояния среды, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей

            При использовании биоиндикации оценка среды производится по состоянию организмов,  длительное время существующих в среде данного качества, и осуществляется неоднократно, а на протяжении нескольких лет.

            Элементом биоиндикационных исследований является биотестирование – определение реакции конкретного организма или его отдельных частей на воздействия негативных факторов (загрязнителей).

             В качестве биоиндикаторных организмов могут использоваться растительные и животные организмы. Растения являются важными и интересными объектами для характеристики состояния окружающей природной среды.

             Использование растений в качестве биоиндикаторов обусловлено следующими их особенностями:

              1) Важность оценки состояния природных популяций растений состоит в том, что именно растения являются основными продуцентами, их роль в экосистемах трудно переоценить.

              2) Растения – чувствительный объект, позволяющий оценивать весь комплекс воздействий, характерный для данной территории в целом, поскольку они ассимилируют вещества и подвержены прямому воздействию одновременно из двух сред: из почвы и воздуха.

               3) В связи с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни, состояние их организма отражает состояние конкретного локального местообитания.

               4) Удобство использования растений состоит в доступности и простоте сбора материала для исследования.

Из животных в качестве биоиндикаторов могут использоваться беспозвоночные, которые обладают преимуществами перед позвоночными животными и растительными объектами; и, как правило, кратковременный онтогенез. Эти особенности следующие:

                1) существенно облегчают культивирование беспозвоночных в лабораторных условиях;

   2) позволяют иметь необходимое количество тест - объектов для получения статистически достоверных и воспроизводимых данных;

   3) за достаточно короткий срок дают возможность проследить реакции тест - объектов на рассматриваемые  факторы в ряду поколений.

      В лабораторных условиях с помощью беспозвоночных животных можно тестировать субстраты всех компонентов наземных и водных экосистем. Позвоночные животные также могут с успехом использоваться в качестве биоиндикаторов состояния окружающей природной среды.  Их удобнее всего использовать для неспецифической биоиндикации, когда регистрируется реакция организмов на комплекс факторов: смена pH среды, действие загрязнителей, изменение структуры биотопа и другие. Комплексную оценку реакции популяции или сообщества невозможно получить инструментальными методами исследования, которые дают ответ на вопрос об особенностях действия кого-либо одного фактора на конкретный вид, то есть при специфической биоиндикации. В этом и состоит преимущество использования различных характеристик популяций животных или их сообществ для целей биоиндикации.

 Использование позвоночных животных  для биоиндикационных исследований имеют свою специфику и должно учитывать ряд требований:

1) виды – индикаторы должны быть доступны для исследования на протяжение всего года или значительной его части;

2) обладать способностью питаться в загрязненной среде и иметь достаточно высокий уровень обмена веществ (что обуславливает быстрый «ответ» на действие поллютантов);

3) обладать сравнительно слабой способностью к миграциям и дальним перемещением (иначе затрудняется оценка влияния факторов, действующих локально);

4) иметь быстрое чередование генераций (что необходимо для генетических исследований и оперативной оценки происходящих в экосистемах изменений);

5) достаточно легко разводиться в лабораторных условиях.

Позвоночные животные, являясь коноументами, представляют в экосистемах последние звенья трофических цепей, вследствие чего в их телах накапливаются наибольшие количества токсикантов,  аккумулированных ранее продуцентами и консументами низших порядков. Поэтому при использовании методов биотестирования и биоиндикации с помощью позвоночных животных, во – первых, можно оценить конечный эффект действия поллютантов (загрязнителей) в трофической цепи; во – вторых, вследствие сходства метаболизма позвоночных животных и человека можно объективнее экстраполировать полученные данные на человеческий организм.

Биоиндикация с использованием животных может быть пассивной или активной. При проведении пассивной биоиндикации оценку степени загрязненности экосистем получают на основе изменения полевых условиях параметров аборигенных видов или сообществ, выбранных в качестве биоиндикаторов. Также широко используются данные качественных и количественных учетов в популяциях разных групп животных (птиц, земноводных и других)

При проведении активной биоиндикации (биотестирование) степень антропогенного изменения (загрязнения) экосистем определяется по реакциям тест – организмов, помещенных в стандартизированные условия, либо на исследуемой территории, либо в исследуемой лаборатории.

Важными преимуществами активной биоиндикации перед пассивной являются следующие:

1) при пассивной биоиндикации состояние организмов и разнообразных экзо- и эндогенных факторов, что дает трудно прогнозируемый эффект, и по нему сложно судить о воздействии отдельных стрессов;

2) не всегда на контролируемых территориях могут обитать необходимые виды-индикаторы.

При активной биоиндикации можно учитывать накопление загрязнителей (фтор, сера, тяжелые металлы, пестициды), диагностировать загрязнение почв нефтепродуктами и тяжелыми металлами, исследовать на загрязнение водоёмы, талый снег, воздух.

Применяемые в настоящее время разнообразные методы биоиндикационных исследований должны соответствовать требованиям:

1) Оценка позитивности или негативности происходящих изменений, степени их отклонений от оптимума.

2) При оценке качества среды в целом необходимо использовать наиболее общие примеры, характеризующие важнейшие принципиальные черты рассматриваемой  системы и ее функционирования.

3) Чувствительность методов оценки качества среды, позволяющая оценивать не только и на столько существенные, как правило, уже обратимые, изменения среде, но и менее значительные отклонения, когда еще возможно, в случае принятия надлежащих мер, вернуть систему в прежнее состояние. Вместе с тем, чувствительность применяемых подходов не должна быть чрезмерной. Она должна выявлять отклонения от нормы, требующие понятия определенных мер для устранения их причины.

4) Система методов, предлагаемая для оценки качества среды, должна быть универсальной как в отношении вида оцениваемого воздействия, так и типа экосистем и вида живых существ, по отношению к которым такая оценка проводится.

5) Возможность методов, применяемых в биоиндикационных исследованиях, охарактеризовать реальную природную ситуацию в конкретном регионе.

6) Используется для оценки качества среды система методов должна быть относительно простой и доступной. Именно это может обеспечить ей возможность быть операциональным инструментом, пригодным для широкого использования.

В последнее время широкое распространение приобрели биоиндикационные исследования состояния окружающей среды с использованием в качестве биоиндикаторов земноводных.

Наиболее широкое направление практических биоиндикационных исследований на земноводных – индикация загрязнения среды тяжелыми металлами. Выявлено, что в органах земноводных, главным образом, в печени, почках, селезенке, коже, происходит накопление тяжелых металлов в зонах промышленного загрязнения. Накапливаясь в организме животных, тяжелые металлы оказывают тератогенный эффект, то есть приводят к возникновению различных уродств: увеличению числа почек (три вместо двух) и селезенки (две вместо одной).

Подобные уродства являются хорошим биоиндикационным показателем техногенного загрязнения среды.

Земноводных можно использовать как индикаторов воздействия радиоактивного загрязнения на биологические системы подорганизменного уровня.

Одно из основных направлений использования земноводных в биоиндикации – это выявление вызванных исследуемым агентом изменений син - и аутэкологических параметров.

 Широко известна чувствительность показателей структурной организации сообществ земноводных и состояния популяций отдельных видов земноводных по отношению к фактором среды. Проводя ежегодно учеты численности земноводных в одних и тех же местах и наблюдая изменение в их видовом составе, можно определить, в каком направлении идут изменения в экосистемах.

Анализ показателей смертности на разных стадиях жизненного цикла – наиболее прямой способ индикации техногенного агента. Такой анализ особенно прост и эффективен на стадиях клеток, эмбрионального и личинного развития. Использование этих показателей возможно при биоиндикационных исследованиях, как в природных, так и в лабораторных условиях.

Благодаря морфологической лабильности земноводных наиболее перспективным направлением биоиндикаций является использование разнообразных аномалий их внешнего и внутреннего развития. Стабильность развития (гомеостаз) как способность организма к развитию без нарушений и ошибок является чувствительным индикатором состояния природных популяций.

Стрессирующие воздействия вызывают изменения гомеостаза развития, которые могут быть оценены по нарушению морфогенетических процессов. Оценка стабильности развития сводится к выявлению тех морфологических особенностей, которые являются следствием нарушений развития.

            Главным показателем изменений гомеостаза с морфологической точки зрения являются показатели флуктуирующий асимметрии – ненаправленных различий между правой и левой сторонами различных морфологических структур в норме обладающих биллатеральной асимметрией. Такие различия обычно являются результатом ошибок в ходе развития организма. При нормальных условиях их уровень минимален, возрастая при любом стрессирующем воздействии, что приводит к увеличению асимметрии. Необходимая информация при этом может быть получена путем анализа различных качественных и количественных признаков, включая меристические (счетные) и пластические (промеры) признаки.

При средовом или генетическом стрессе величина асимметрии различных, даже нескорректированных между собой признаков показывает согласованные изменения. Это означает, что информация, получаемая при анализе ограниченного набора признаков, позволяет охарактеризовать стабильность развития организма.

Показателем стабильности развития по отдельному морфологическому признаку является относительная величина флуктуирующей асимметрии, которая оценивается по различию числа структур слева и справа.

Для оценки уровня стабильности развития по системе морфологических признаков используется интегральный показатель – средняя частота проявления на признак.

При работе с земноводными используются следующие  меристические признаки:

1) число полос на бедрах;

2) число пятен на бедрах;

3)число полос на голени;

4) число пятен на голени;

5) число пятен на спине.

Неизменность величины показателя стабильности развития в серии выборок особей отдельных видов земноводных, взятых из одной точки в течение ряда лет, свидетельствует о поддержании состояния организма примерно на сходном уровне. Наличие различий между выборками говорит об изменение ситуации. Характеристика уровня, на которой стабилизировалось состояние исследуемых популяций, возможна путём использования системы балльной оценки стабильности развития, где низкие значения интегрального показателя стабильности развития соответствует первому баллу, наиболее высокие - пятому баллу. В настоящие время балльные шкалы показателей стабильности развития для растений, рыб, земноводных, млекопитающих.

         Использование балльной шкалы возможно как для фонового мониторинга (изменение естественных факторов: температуры, влажности и других) так и для оценки последствий разных видов антропогенного развития.

2. Исследовательская работа по изучению земноводных как биоиндикаторов

Таблица 3

В состав биологического мониторинга входят: генетический мониторинг, который следует состояние наследственного аппарата клеток живых организмов; биохимический мониторинг, который исследует протекание химических процессов в клетках; физиологический мониторинг, который исследует функциональное состояние живого организма; экологический мониторинг, который исследует состояние экосистем; мониторинг загрязнения биоты; мониторинг продуктивности биосферы; мониторинг исчезающих видов.

Экологический мониторинг основан на оценке ответной реакций экосистемы на изменения уровня загрязнения природной среды и изменения различных естественных факторов. Для оценки здоровья экосистемы используется показатели состояния отдельных организмов.

          Одним из методов экологического мониторинга является биоиндикация.           Биоиндикационные следования в настоящее время приобрели широкое распространение. Их результаты существенны не только для качественной или количественной оценки состояния или изменения среды под воздействием определенного фактора, но и для характеристики последствий этого фактора на сам объект исследования. Необходимая информация может быть получена путем анализа различных количественных и качественных признаков у разных видов растений и животных, что позволяет охарактеризовать стабильность развития организмов.

            Показателем стабильности развития по отдельному морфологическому признаку является относительная величина флуктуирующей асимметрии, которая оценивается по различию числа структур слева и справа.

            Для оценки уровня стабильности развития по системе морфологических признаков используется интегральный показатель - средняя частота проявления на признак.

            При получении данных по различным природным сообществам разрабатывается бальная шкала для оценки степени отклонения от нормы.

            Диапазон значений показателя, соответствующий условно нормальному состоянию, принимается как первый балл. Диапазон значений, соответствующий критическому состоянию, принимается за пятый балл. Весь диапазон значений между этими пороговыми уровнями оценивается в порядке возрастания значений.

Таблица 4

            Нарушение стабильности развития проявляется  в строение самых различных морфологических структур, поэтому для её оценки можно использовать любые билатеральные признаки. Наиболее удобными для анализа являются признаки окраски. При работе с земноводными используются следующие признаки.

1. Число полос на бедрах;
2. Число пятен на бедрах;
3. Число полос на голени;
4. Число пятен на голени
5. Число пятен на спине.

При проведении анализа с использованием указанных признаков необходимо учитывать следующие рекомендации:

1. Не следует учитывать мелкий крап.
2. При работе с указанными признаками бывает трудно отличить пятно от полосы. Полосой считается элемент рисунка, длина которого в два раза превышает ширину.
3. Пятна спины следует учитывать от основания головы до подвздошной кости.

В качестве основных видов земноводных, используемых в данном исследовании, применяются бурые лягушки: остромордая и травяная. Для анализа брались особи в возрасте от 1 года и старше, так как большинство используемых морфологических признаков формируется к этому возрасту и не подвержены дальнейшим возрастным изменениям. Выборка состояла из животных одного размерного класса. Объем выборки-20 особей.

Наблюдения проводились в с. Дубское, погода - t возд=16C, сильная облачность, время экскурсии (с 18:00 до 20:00ч). Амфибии в основном ведут ночной образ жизни, охотятся в сумерки, а днем прячутся в различные укрытия. Активность в темное время суток предпочтительное для земноводных потому, что ночью они чувствуют себя комфортнее в условиях повышенной влажности и отсутствия иссушающего действия солнца, которое затрудняет кожное дыхание, играющие роль в жизни этих животных. Оно может осуществляться только в случаях постоянной влажности кожных покровов.

Результаты экскурсии  представлены в таблице 5.

            где 1-число пятен на спине;

                   2-число полос на бедре;

                   3-число полос на голени.

                  Первое, что мы сделали, вычислили величины асимметрии для каждого признака у каждой лягушки. Для этого необходимо разность между признаками слева и справа разделить на сумму этих же признаков. Например, для первой лягушки относительная величина асимметрии по признаку - число пятен на спине будет вычисляется следующим образом:

                                                          13-8

                                                    1)             =0,24

                                                          13+8

А теперь попробуйте это сделать самостоятельно для остальных лягушек:

                    7-8                         10-8                        8-8                 6-7                       4-5

            2)              = 0,07;  3)              =0,11;  4)               =0;  5)            =0,08;  6)           =0,11;

                    7+8                        10+8                       8+8                6+7                      4+5  

      13-10                    7-7                  3-4                         6-6

7)             =0,13;  8)             =0;  9)            =0,14;   10)            =0.  

     13+10                    7+7                 3+4                        6+6

             Те же вычисления сделали для двух оставшихся признаков. Для второго признака - число полос на бедре:

       4-3                    3-4                    5-3                    4-4                3-3              5-4

1)          =0,14;  2)           =0,14;  3)         = 0,25;  4)         =0;  5)          =0;  6)          =0,11;

      4+3                    3+4                   5+3                   4+4               3+3             5+4

      5-3                     4-4               2-3                    3-3

7)          =0,25;  8)          =0;  9)          =0,2;  10)           =0.

     5+3                    4+4              2+3                    3+3

Для третьего признака - число полос на голени:

      3-2                  3-4                    5-4                    3-3                5-5                   5-3

1)           =0,2;  2)         =0,14;  3)          =0,11;  4)          =0;  5)            =0;  6)             =0,25;

     3+2                 3+4                   5+4                    3+3               5+5                 5+3

      5-4                    4-4                 2-3                      3-3

7)           =0,11;  8)          = 0;  9)           =0,2;  10)          =0.

      5+4                  4+4                 2+3                     3+3

Полученные результаты представлены в таблице 6.

1) (0,24+0,14+0,2)/3=0,19.

Сделали эти вычисления для каждой лягушки:

2) (0,07+0,14+0,14)/3=0,12;

3) (0,11+0,25+0,11)/3=0,16;

4)(0+0+0)/3=0;

5) (0,08+0+0)/3=0;

6) (0,11+0,11+0,25)/3=0,16;

7) (0,13+0,25+0,11)/3=0,16;

8) (0+0+0)/3=0,7;

9) (0,14+0,2+0,2)/3=0,7;

10) (0+0+0)/3=0.

Полученные результаты занесли в таблицу 6 в последнюю графу.

И, наконец, вычислили интегральный показатель стабильности развития - величину среднего относительного различия между сторонами на признак. Для этого нашли среднюю арифметическую всех величин асимметрии для каждой лягушки.

(0,19+0,12+0,16+0,03+0,16+0,16+0,7):10=0,152.

         У нас получилась цифра 0,152. А теперь сравним это значение со значениями показателя стабильности земноводных в таблице 7. Мы определили, что степень загрязненности исследуемой территории соответствует 1 баллу - условной норме.

Заключение

Резкое изменение и ухудшение экологической обстановки в мире, в том числе и в нашей стране, диктует необходимость решения проблемы экологического образования. Чрезвычайно актуальной становится проблема мониторинговых исследований состояния окружающей среды, в частности, биоиндикационных знаний.  Проведенное нами исследование направленное на формирование умений переноса теоретических знаний экологической направленности на практическую деятельность учащихся по изучению влияния человека на окружающую среду, показала, что оно способствует успешному формированию у учащихся знаний, умений и навыков изучения состояния окружающей среды, связи обучения с практикой экологического воспитания школьников.

Литература:

1. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. /Под ред. Р.Шуберта. М.: Просвещение, 1988.

2. Биология. Животные; Учеб. для  7-8 кл. сред. школы/ Б.Е. Быховский, Е.В. Козлова, А.С.Мончадский и др. Под ред. М.А. Козлова.-23-е изд. – М.: Просвещение, 1993.

3. Большой энциклопедический словарь. В 2-х тт., т.2./Под ред. А.М. Прохорова.- М.: Советская энциклопедия, 1991.

4. Бурдин К.С. Основы биологического мониторинга.- М.:МГУ, 1985.

5. Гелашвили Д.Б. Экологический мониторинг: в 3т.; учебное пособие. - Н.Новгород: ННГУ, 1995.

6. Дмитриев Ю.Д. Земноводные и пресмыкающиеся./ Под ред. Н.М. Пожарницкой.-М.:АСТ: Олимп,1998.

7. Дольник В.Р., Козлов М.А. Зоология; Учебник.-СПб:»Спец. Литература»,1997.

8. Жизнь животных: в 7тт, т.5./Под ред. А.Г. Банникова. -М.:Просвещение,1983.        

9. Захаров В.Б., Н.И. Сонин. Биология. Многообразие живых организмов: 7 кл.; Учеб-к для общеобраз. учреждений.-М.: Дрофа, 2002.

10.Захаров В.М. и др. Здоровье среды: методика и практика оценки в Москве.-М.: Центр экологической политики России, 2001.

11. Захлебный А.Н., Зверев И.Д. и др. Охрана природы в школьном курсе биологии: Пособие для учителя.-М.:Просвещение, 1977.

12. Земноводные и пресмыкающиеся Нижегородской области:

Методич. пособие. Авт.-сост. М.В. Пестов, С.В. Бака, Н.Ю. Киселева, Е.И. Маннапова./Под ред.А.И. Бака.-Н.Н.: Междунар. Социально-экологич. Союз. Экоцент, «Дрофа», 1999.

13. Латюшин В.В., Шапкин В.А. Биология. Животные: Учеб. для 7кл. общеобразов.учеб. заведений.-М.:Дрофа,2000.

14. Леонтьева О.А. Земноводные как биоиндикаторы антропогенных изменений среды.//Успехи современной биологии.-1997.-том 117, вып.6.

Приложение

таблица 1.

Мониторинг окружающей среды.

   таблица 2

                                                                                                   таблица 3

                                                                                                                                таблица 4

                                                                                                         таблица 5.

                                                                                                        таблица 6.

                                                                                                         таблица 7.