Учебно-исследовательская работа "Лихеноиндикация"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

« Лицей №9

имени заслуженного учителя школы РФ А.Н. Неверова

Дзержинского района г. Волгограда»

 Конференция

учебно-исследовательских работ

обучающихся  10-11 классов

секция экология

Лихеноиндикация

Выполнила:

учащаяся 11 Г  класса

Сукманова Екатерина

Руководитель:  Селезнева Елена Васильевна учитель биологии и экологии высшей квалификационной категории

Волгоград 2020                                                        

                                                                                                                             С.

Введение……………………………………………………………………….3.-5

Глава 1. Теоретические основы лихеноиндикации………………………….6-9

1.1 Сущность лихеноиндикации ………………………………………..6-7

1.2 Морфологические и экологические особенности лишайников…...8-9

Глава 2. Использование лишайников в экологическом мониторинге

              и биоиндикационных исследованиях……………………………….10-13

2.1 Места и методы исследования……………………………………….10-12

2.2 Качественная оценка загрязнения воздуха с помощью

      лишайников (лихеноиндикация) ……………………………………12-14

Заключение……………………………………………………………………..15-17

Список источников и литературы…………………………………………….18

Приложения

Введение

Рост населения Земли ведет к его скоплению в городах. Возникновение городов (создание искусственных урбоэкосистем, от лат. urbs – город) было вызвано необходимостью ограждения людей от врагов, неблагоприятных условий, повышения уровня комфортности.                                                                                          

           Рост и развитие городов – урбанизация  изменяет поверхность Земли сильнее, чем все другие виды деятельности человека. В урбанизированных странах города занимают до 5% площади.

           Для обеспечения потребности людей в городах строится много промышленных предприятий. Это приводит к сильному загрязнению городской среды.

  В целях своего функционирования города потребляют в десятки тысяч раз больше энергии, чем такие же площади в сельской местности. Образующиеся при этом тепло, пыль и другие загрязнители изменяют климат и поэтому он отличается от климата прилегающих районов: в городах теплее, выше влажность воздуха, меньше солнечного света.

Актуальность темы. Изучение экологического состояния урбанизированных территорий является на сегодняшний день одной из актуальных проблем. Лишайники, произрастающие в урбоэкосистемах, подвергаются мощному антропогенному влиянию. В результате в населенных пунктах изменяются многие показатели лишайникового покрова. Реакция лишайников на атмосферное загрязнение различна. Это позволяет использовать их в качестве биоиндикаторов, выделяя в населенных пунктах лишайниковые зоны. В настоящее время, когда наличие современных технических средств позволяет осуществлять непосредственный контроль над степенью загрязнения воздуха путем создания сети автоматических газоанализаторных станций, интерес к эпифитным лишайникам как индикаторам загрязнения не уменьшается. Использование лишайников для индикации остается актуальным и часто более выгодным, поскольку метод лихеноиндикации имеет большие возможности и дает удовлетворительные результаты.

Часто увеличение концентрации каких-либо веществ-загрязнителей не                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  оказывает заметного влияния на развитие урбоэкосистем. В этих условиях индикаторная роль лишайников и лихеносинузий, наиболее чувствительных к загрязнению компонентов экосистем, резко возрастает. Но урбанизация и увеличение содержания загрязнителей в воздухе, несмотря на их негативное воздействие на лихенофлору, не приводят к полному исчезновению лишайников. Наличие или отсутствие изменений в их развитии отражает характер воздействия загрязнителя на урбоэкосистемы, т.е. показывает, является ли его действие еще безвредным или уже вызывает изменения. Совершенно очевидно, что изучение адаптаций лишайников к антропогенным воздействиям является важнейшей задачей современной лихенологии.

Использование лихеноиндикационных методов позволяет осуществлять длительный экологический мониторинг состояния атмосферной среды урбанизированных территорий в пространстве и во времени. По видовому составу лишайников можно проводить диагностику влияния загрязнения на развитие урбоэкосистем, что несравнимо более важно, чем непосредственная индикация загрязнения.

Новизна работы, заключается в том,  что впервые показан процесс антропогенной трансформации лихенофлоры урбанизированной территории Дзержинского района г. Волгограда. В этой работе предусмотрена реальная практико-ориентированная деятельность по экологической оценке окружающей среды.

Объект изучения: эпифитные лишайники.

Предмет исследования: деревья-форофиты Дзержинского района г. Волгограда.

Цель и задачи исследования. Целью данного исследования являлась оценка экологического состояния атмосферной среды Дзержинского района г. Волгограда с помощью методов лихеноиндикации.

 Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

• Выявить видовой состав эпифитной лихенофлоры урбоэкосистемы  района, изучить ее систематическую структуру.
• Провести экобиоморфологический  анализ лихенофлоры  района, изучить субстратную приуроченность лишайников.
• Изучить особенности распределения эпифитных лишайников  по территории района в зависимости от атмосферного загрязнения
• Изучить накопление тяжелых металлов эпифитными лишайниками.

Глава 1. Теоретические основы  лихеноиндекации.

1.1 Сущность лихеноиндекации.

В соответствии с природоохранительным законодательством Российской Федерации, оценка качества окружающей природной среды производится с целью установления предельно допустимых норм воздействия, гарантирующих экологическую безопасность населения, сохранение генофонда и обеспечивающих рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов в условиях устойчивого развития хозяйственной деятельности. При этом, под воздействием вообще понимается антропогенная деятельность, связанная с реализацией экономических, рекреационных, культурных интересов и вносящая физические, химические, биологические изменения в природную среду.

 При изучении степени загрязнения промышленными объектами окружающей среды важна реакция биологических объектов на загрязняющие вещества. В настоящее время существуют физико-химические и биологические методы контроля.

Большинство физико-химических методов сводятся к использованию предельно допустимых концентраций (ПДК), предельно допустимых уровней (ПДУ), предельно допустимых выбросов и аналогичных показателей. Сейчас ПДК и ПДУ установлены для нескольких тысяч веществ. Однако реально в экономике используются несколько миллионов веществ и каждый год появляются новые. Вообще невозможно установить ПДК на вещества неизвестной структуры. Несмотря на то, что пороговые нормы необходимы, нужно отметить, что ПДК – величина сильно упрощенная. Для многих веществ в ПДК не заложены оценки канцерогенности, мутагенности, эмбриотоксичности, иммунотоксичности, на содержание свободных радикалов и т. д. Крайне сложно установить нормы на сочетания веществ, которые могут усиливать действие друг друга. Поэтому в дополнение к инструментальным физико-химическим методам используются методы биологической индикации.

Система наблюдения за реакцией биологических объектов на воздействие загрязнителей называется биологическим мониторингом. Биологический мониторинг включает в себя наблюдение, оценку и прогноз изменения состояния экосистем и их элементов, вызываемого антропогенным воздействием. Идеальная система мониторинга дает возможность количественно оценить состояние среды и ее изменения. Биологическая индикация позволяет оценивать степень загрязнения окружающей среды по существующим биологическим показателям.

Поскольку вариабельность органической жизни чрезвычайно велика, особенно важно выбрать такие организмы, которые являются лучшими индикаторами трендов изменения среды.

         Один из специфических методов мониторинга загрязнения окружающей среды - биоиндикация, определение степени загрязнения геофизических сред с помощью живых организмов, биоиндикаторов. Живые индикаторы не должны быть слишком чувствительными и слишком устойчивыми к загрязнению. Необходимо, чтобы у них был достаточно продолжительный жизненный цикл. Важно, чтобы такие организмы были широко распространены по планете, причем каждый вид должен быть приурочен к определенному местообитанию. Лишайники вполне отвечают всем этим требованиям. Они реагируют на загрязнение иначе, чем высшие растения. Долговременное воздействие низких концентраций загрязняющих веществ вызывает у лишайников такие повреждения, которые не исчезают вплоть до гибели их слоевищ. Это, видимо, связано с тем, что лишайники возобновляют свои клетки очень медленно, в то время как у высших растений поврежденные ткани заменяются новыми достаточно быстро. Биоиндикация имеет ряд преимуществ перед инструментальными методами. Она отличается высокой эффективностью, не требует больших затрат и дает возможность характеризовать состояние среды за длительный промежуток времени.                         

1.2 Морфологические и экологические особенности лишайников.

Одним из перспективных объектов биоиндикации являются лишайники. Они распространены по всему земному шару и могут служить объектом мониторинга на всех уровнях: локальном (в конкретной местности), региональном (в обширном регионе) и глобальном (на всем земном шаре).

Тело лишайника (слоевище) состоит из гриба и одноклеточных водорослей, находящихся в симбиозе. По строению слоевища лишайники делятся на 3 группы: накипные (коркоподобные), похожи на плоские корки, плотно срастающиеся с корой, камнями, почвой, они трудно отделяются, на ощупь бархатистые, влажноватые; листоватые (листовидные) имеют форму мелких пластинок, чешуек: прикрепляются к поверхности тонкими нитями гриба и довольно легко отделяются от нее; кустистые, которые либо растут вверх как маленькие кустики, либо свисают с дерева вниз, подобно бороде.

Лишайники высокочувствительны к загрязнению среды обитания. На них избирательно действуют прежде всего вещества, увеличивающие кислотность среды (S02, НР, НС1, 03). Для лишайников сравнительно безвредны тяжелые металлы, накапливающиеся в слоевище, а также радиоактивные изотопы.

Причина такой необычной чувствительности лишайников к воздушному загрязнению заключается в особенностях строения и жизни лишайников. Дело в том, что лишайники не имеют плотной поверхностной кутикулы - крепких «стен» из воскоподобного вещества, защищающих снаружи листья и стебли высших растений от вредных внешних воздействий. Нет у них на поверхности таллома и устьиц, через которые растения дышат и испаряют лишнюю влагу. Важно помнить и о том, что лишайник - это не единый организм, а целое сообщество, где процессы регуляции взаимоотношений между компонентами куда более уязвимы. Лишены лишайники также корней и проводящей системы, по которым движутся вода и питательные вещества. Поэтому во влажную погоду они дышат и впитывают воду всей своей поверхностью, а вместе с водой и воздухом в них без всяких ограничений проникают растворенные в воде и содержащиеся в воздухе токсичные соединения, которые распространяются по всему слоевищу. В сухую погоду вода быстро испаряется из слоевища, а токсины остаются, накапливаясь внутри лишайников, мешая фотосинтезу, дыханию и запасанию энергии, убивая клетки водорослей. Часть токсинов вымывается следующими дождями, но большее количество остается.

Считается, что наиболее чувствительны к загрязнению воздуха кустистые лишайники, а наиболее устойчивы накипные виды. Это не всегда так. Точнее, следует говорить о существовании видов с различной чувствительностью к загрязняющим веществам. Определение видового состава лишайников - достаточно сложная задача, для решения которой требуются подробные определители, навыки изготовления тонких срезов, работы с микроскопом. Исходя из этого, примем условие, что при выполнении данного задания мы лишь знакомимся  с методом лихеноиндикации.

По отношению к субстрату и другим условиям местообитания среди лишайников различают несколько крупных основных экологических групп:

• Эпилитные лишайники – живущие на поверхности горных пород.
• Эпифитные лишайники – растущие на коре деревьев и кустарников.
• Эпигейные лишайники – растущие на поверхности почвы.
• Эпифильные лишайники – развивающиеся на хвое и листьях вечнозеленых растений.
• Эпибриофитные лишайники – обитающие на дерновинках мхов, и другие.

В различных местообитаниях на скалах, почве, стволах деревьев и т. д. лишайники образуют растительные группировки – синузии, которые характеризуются определенным видовым составом и определенными морфологическими типами. На распределение лишайников влияют как физические, так и химические свойства субстрата.

Глава 2. Использование лишайников в экологическом мониторинге и биоиндикационных исследованиях.

1. Места и методики исследования.

Места исследования: Дзержинский район города Волгограда. Лесополоса данного района, пришкольная территория МОУ лицея № 9, «Семейный» парк, прилегающая территория к автодороге по улице К. Симонова.

Методики исследования. Организмы-индикаторы должны отвечать строго определенным требованиям:

 1) не должны быть слишком чувствительными и слишком устойчивыми к загрязнению;

2) должны быть широко распространенными по земному шару, причем каждый вид должен быть приурочен к определенному местообитанию.

Лишайники соответствуют предложенным критериям. Они реагируют на загрязнение несколько иначе, чем высшие растения.

Например, при кратковременных воздействиях высоких концентраций сернистого газа, когда у высших растений проявляются признаки угнетения, лишайник внешне никак не меняется. Вместе с тем долговременное воздействие низких концентраций загрязнителей вызывает у лишайников такие повреждения, которые не исчезают вплоть до гибели их слоевищ. Это связано с тем, что лишайники возобновляют свои клетки медленно и отличаются крайне медленным ростом.

Один из ведущих эстонских лихенологов Х. Х. Трасс (Н. Trass) разделил методы лихеноиндикации на три группы:

 1) Организменный уровень. Методы, которые позволяют изучать изменения, происходящие в строении и жизненных функциях лишайников.

2) Флористический уровень. Описание видов лишайников, обитающих в районах с разной степенью загрязнения атмосферы.

 3) Ценотический уровень. Методы изучения лишайниковых сообществ в загрязненных районах и составление специальных лихеноиндикационных карт.

Метод визуальной оценки. Покрытие каждого вида на стволе дерева может быть так же представлено в качестве визуальной оценки. Это  сделано с помощью небольших пробных площадок, расположенных на стволе дерева на определенной высоте (1,5 м). Площадки 10х10 м обследованы в лесопосадке, на территории пришкольного участка МОУ лицея №9, в Семейном парке, вдоль дороги по основной магистрали ул. К. Симонова. Модельные деревья обследовали  приблизительно одновозрастные, без видимых повреждений, одной из основных  пород тополь пирамидальный, ясень высокий.

Для определения проективного покрытия  использовали балльную  шкалу Браун-Бланке, объединяющая покрытие и обилие:

+ - встречается редко, степень покрытия ничтожна.
1 - индивидуумов много, степень покрытия мала или особи разрежены, но площадь покрытия большая.
2 - индивидуумов много, степень проективного покрытия не менее 10%, но не более 25%.
3 - любое количество индивидуумов, степень покрытия 25-50%.
4 - любое количество индивидуумов, степень покрытия 50-75%.
5 - степень покрытия более 75%, число особей любое

         В нашем случае в лесопосадке 4 шкала, где степень покрытия составило 60%,  на территории лицея 2 шкала - 15%, в Семейном парке -  30%, это 3 шкала,  у дороги + не встречаются.

Метод визуальной оценки используется преимущественно при биоиндикационных исследованиях.

Трансплантационный метод заключается в том, что лишайники из незагрязненных районов лесопосадки и Семейного парка трансплантировали в изучаемый район вдоль дороги и ветки деревьев, покрытых лишайниками,  переместили на столбы, расположенные в загрязненных районах. Их реакция исследуется путем периодического фотографирования и измерений толщины слоевища или таллома. У дороги толщина слоевища  лишайника Гипогимнии за полгода уменьшился на 0,3 мм.

2. Качественная оценка загрязненности воздуха с помощью  лишайников (лихеноиндикация).

Практическая работа № 1 «Изучение видового разнообразия эпифитных лишайников, их жизнеспособности и состояния слоевищ»

Цель: определить наличие основных групп эпифитных лишайников на территории Дзержинского района г. Волгограда.

Оборудование и материалы: лупа, рамка для определения степени покрытия лишайниками стволов деревьев, определители.

Модельные деревья  тополя пирамидального (наиболее распространен на данных территориях) обследованы приблизительно одновозрастные, без видимых повреждений на уровне 1,5 м. В каждом квадрате выбраны 5 отдельно стоящих деревьев. На каждом дереве подсчитали количество видов лишайников. Все обнаруженные виды разделили на 3 группы: кустистые, листоватые, накипные.  По определителям определили таксономические категории.

 Таблица 1. Спектр жизненных форм эпифитных лишайников урбоэкосистемы   Дзержинского района г. Волгограда

Провела оценку степени покрытия древесных стволов способом наложения рамки на высоте 1,5 м по балльной шкале Браун- Бланке. В нашем случае в лесопосадке 4 шкала, где степень покрытия составило 60%,  на территории лицея 2 шкала - 15%, в  парке -  30%, это 3 шкала,  у дороги + не встречаются.

Вывод: в Дзержинском районе относительно незагрязненными территориями являются лесопосадка и территория  парка.

Проведена практическая работа № 2  «Изучение факторов, определяющих изменение эпифитной лихенофлоры Дзержинского района». При этом выявлено, что существенное влияние на формирование лихенофлоры урбанизированной территории оказывает атмосферное загрязнение. Эпифитные лишайники обладают металлоаккумулирующей способностью, а содержание тяжелых металлов в их слоевищах находится в непосредственной зависимости от концентрации этих элементов в воздухе. Лишайники, растущие вблизи источников атмосферного загрязнения, в нашем случае у дороги,  если не исчезали совсем, то чаще всего утратили свой нарядный, привлекательный вид. На краях лопастей появился беловатый налет, уменьшился размер слоевищ. На грибных гифах в изобилии появляются бактерии, клетки водорослей уменьшаются в размере, а иногда совсем погибают; бывает, что разрушается весь водорослевый слой таллома. Одним словом, лишайники выглядят больными.

 Вывод: у дороги лишайники встречаются редко, выглядят больными, что подтверждает сильную загазованность.

Практическая работа №3 «Изучение накопления тяжелых металлов лишайниками».

Цель: изучить наличие тяжелых металлов в слоевищах лишайников.

Оборудование: ступка, пробирки, реактивы

  Для этого:

1. Измельчила лишайники в ступке.

2. Сделала вытяжку (залила дистиллированной водой и оставила на 20 минут, затем процедила через фильтр).

3. Для каждого из лишайников провела проверку на три металла: цинк, свинец и медь. Для обнаружения меди добавила в раствор NaOH. Для двух видов лишайника было выявлено полное отсутствие меди и наличие другого металла (цинка или свинца - по выпадению белого осадка). Для определения этих двух металлов в раствор был добавлен Na2S. Осадок не выпал, следовательно металл, находящийся в растворе - цинк.

Вывод: таким образом, установлено, что наиболее показательным в качестве параметра для лихеноиндикации атмосферного загрязнения урбоэкосистемы района является содержание цинка в слоевищах эпифитных лишайников.

Заключение

На территории  района на данный момент выявили 12 видов эпифитных лишайников. Проведен таксономический, экологический анализ лихенофлоры Дзержинского района Г. Волгограда.  Изучена субстратная приуроченность видов лишайников, особенности их пространственного распределения в условиях урбоэкосистемы района, выявлены факторы, влияющие на подобное распределение. Изучены биоэкологические особенности лишайников антропогенно нарушенных  местообитаний. Впервые выявлены основные индикаторные виды эпифитных лишайников  урбоэкосистемы Дзержинского района г. Волгограда, изучена их чувствительность к различному уровню антропогенного воздействия. Установлена взаимосвязь атмосферного загрязнения с отдельными показателями, характеризующими эпифитный лишайниковый покров. Осуществлена лихеноиндикационная оценка атмосферного загрязнения  района.

Выводы: В целом методы оценки загрязненности атмосферы по встречаемости лишайников (лихеноиндикации) основаны на следующих закономерностях: чем сильнее загрязнен воздух, тем меньше встречается видов лишайников (вместо десятков  один-два вида); чем сильнее загрязнен воздух, тем меньшую площадь покрывают лишайники на стволах деревьев. При повышении загрязненности воздуха первыми исчезают кустистые лишайники, за ними - листоватые, последними - накипные. На основании этих закономерностей можно оценить чистоту воздуха в конкретном месте микрорайона.

В целом отмечаем в Дзержинском районе г. Волгограда средний уровень атмосферного загрязнения.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты, полученные в ходе исследования, вносят определенный вклад в изучение флоры, биологии и экологии эпифитных лишайников урбанизированной территории Дзержинского района. Проведен анализ эпифитной лихенофлоры урбоэкосистемы Дзержинского района г. Волгограда, выявлено влияние городской среды на лишайники. Полученные результаты позволяют обосновать выбор и использование конкретных видов лишайников  в качестве индикаторов для оценки загрязнения атмосферной среды населенных пунктов. Применение биоиндикационных методов совместно с инструментальными при изучении антропогенной трансформации лихенофлоры урбоэкосистем может способствовать правильному принятию экологически значимых решений.

Рассмотренные и апробированные в работе методы могут быть использованы при проведении индикационных работ в городах нашего региона.

Данные по систематике, географии и экологии лишайников, материалы полевых описаний лишайникового покрова  используются на уроках биологии и краеведения в 6 классах, а также экологии в 10 классах.

Практические рекомендации по результатам исследований.

Проблемы экологии городов – это в первую очередь проблемы уменьшения выбросов в окружающую среду различных загрязнителей. Их необходимо решать путем создания новых малоотходных технологий производственных процессов и эффективных очистных сооружений. Необходимо вести регулярные наблюдения за состоянием экосистем и их элементов – экологический мониторинг.

Регулярно (один раз в два года) проводить оценку чистоты воздуха методом лихеноиндикации, изучать разнообразие лишайников и состояние их покрова.

В целях регуляции газового состава воздуха и степени его загрязнения необходимо высаживать деревья, разбивать скверы, газоны, парки в микрорайонах с высокой антропогенной нагрузкой (вдоль крупных автомагистралей, около промышленных предприятий, котельных и пр.).
Использовать для озеленения наиболее устойчивые к воздействию пыли, дыма и газа виды древесных пород: тополь, липу, клен, вяз, клен ясенелистный, акацию белую, боярышник обыкновенный, шиповник, бересклет, барбарис обыкновенный, бузину красную. Проводить целенаправленную и планомерную работу по обновлению зеленого фонда.

Составить в ходе  дальнейших исследований лихеноиндикационные карты территории района, которые позволят выявить как районы с наибольшим антропогенным загрязнением атмосферной среды и являющиеся в связи с этим неблагоприятными в экологическом плане, так и районы, характеризующиеся относительно невысоким уровнем атмосферного загрязнения.

Список источников и литературы

1. Алексеев С.В., Груздева Н.В. и др. Экологический практикум школьника. – Самара: Корпорация «Федоров», издательство «Учебная литература», 2005.
2. Ашихмина Т.Я. Школьный экологический мониторинг: Учебно-методическое пособие/ под ред. Т.Я. Ашихмина. – М.: Агар, 2000.
3. Великанов Л.Л., Сидорова И.И., Успенская Г.Д. Полевая практика по экологии грибов и лишайников. - Изд-во МГУ, 1980.
4. Жизнь растений. Том 3. Водоросли. Лишайники. М., Просвещение, 1977.
5. Мансурова С.Е., Кокуева Г.Н. Следим за окружающей средой нашего города: 9-11 кл: школьный практикум. – М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 2001.
6. Миркин Б.М., Наумова Л.Г., Экология России. -  М.:  АО МДС, 1996.
7. Определитель лишайников СССР. Выпуск 2. – Л.: Наука, 1974.
8. Определитель лишайников России. Т.6-8.
9. Пчелкин А.В., Боголюбов А. С. Методы лихеноиндикации загрязнений окружающей среды: Методическое пособие. М. Экосистема, 1997.
10. Солдатенкова Ю.П. Малый практикум по ботанике. Лишайники. - Изд-во МГУ, 1977.
11. Сионова Н.А. Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха г. Краснодара с помощью эпифитных лишайников / Н.А. Сионова, С.Б. Криворотов // Географические исследования Краснодарского края: Сб. науч. тр. – Краснодар: Кубан. Гос. ун-т, 2005.
12. Трасс Х.Х. - Классы полеотолерантности лишайников и экологический мониторинг. - В кн.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем, Л.: Гидрометеоиздат, 1985, т.7.