Флуктуирующая асимметрия как способ оценки экологического состояния окружающей среды.

Управление образования администрации Уренского муниципального района Нижегородской области

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение  

«Арьёвская средняя общеобразовательная школа»

Флуктуирующая асимметрия как способ оценки экологического состояния окружающей среды

                                                 Автор: Назарова Мария, 15 лет

                                                Руководитель: Сметова Г. А.,

                      учитель химии

2012/2013

п. Арья

Введение

Вопрос актуальности окружающей среды не вызывает сомнений. Растительность как компонент окружающей среды, тесно взаимодействуя с водой, воздухом, почвой, участвует в поддержании равновесия биосферы и отдельных экосистем.   Важнейшим показателем состояния природной среды является газовый состав атмосферного воздуха, который определяет условия жизни людей и всех живых организмов. Усиление антропогенной деятельности, существенно изменяет химические, физические, механические и биологические параметры воздушной среды, особенно в городах, что не может не сказываться на состоянии здоровья человека.

Цель работы: изучение различных параметров листьев березы бородавчатой (Betula pendula roth) как  индикатора состояния  окружающей среды.

Задачи:

1. Изучить особенности использования растений в качестве биоиндикаторов

        2. Определение степени загрязнения атмосферного воздуха по    степени асимметрии листовой пластинки

3. Применить методику  определения площади листовой пластины   древесных  растений для определения состояния воздушной среды

      Гипотеза:  качество воздушной среды на различных пробных площадках отличается

     Объект исследования: листья берёзы на исследуемых участках

Предмет исследования:  влияние качества воздушной среды на развитие листьев берёзы

Методы: наблюдение, эксперимент

Глава  I. Биологическй контроль окружающей среды

          Биологический контроль биологической среде включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование. В современной науке имеются возможности использования в биоиндикационных исследованиях живых организмов - индикаторных видов, которые в силу своих генетических, физиологических, анатомических и поведенческих особенностей способны существовать в узком интервале определённого фактора, указывая своим присутствием на наличие этого фактора в среде. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы. Благодаря специальным индексам и коэффициентам результаты биоиндикации оказываются достоверными и сопоставимыми.

          Биоиндикация- обнаружение и определение  экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых  организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственные системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденции изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

          Биотестирование- процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности не зависимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются  стандартизованные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул).

Глава II. Биоиндикация загрязнённости атмосферного воздуха

§1.  Общие принципы использования биоиндикаторов

Состояние биологической системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на неё природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки.

          Биоиндикаторы – организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причём амплитуда колебаний физической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы – условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью.

           В качестве объектов для биоиндикации применяются разнообразные организмы – бактерии, водоросли, высшие растения, беспозвоночные животные, млекопитающие. Для гарантированного выявления присутствия в природных средах токсичного агента неизвестного химического состава, как правило, используется, набор объектов, представляющих различные группы сообщества. Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальными скоростью отклика и выраженностью параметров.

§2. Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов

           Растения – крайне важный и интересный объект для характеристики состояния окружающей природной среды.  Важность оценки состояния  природных популяций растений состоит в том, что именно растения являются основными продуцентами, их роль в экосистемах  трудно переоценить.

         Растения – чувствительный объект, позволяющий оценивать весь комплекс воздействий, характерный для данной территории в целом, поскольку они ассимилируют вещества и подвержены прямому воздействию одновременно и двух сред: из почвы и из воздуха. В связи с тем, что растения ведут прикреплённый образ жизни, состояние их организма отражает состояние конкретного локального места обитания. Удобства использования растений состоит  в доступности и простоте сборов материала для исследования.  Каждая выборка должна включать в себя минимум 50 листьев (по 10 листьев с 5 растений). Листья с одного растения лучше хранить отдельно, для того, чтобы в дальнейшем можно было проанализировать полученные результаты индивидуально для каждой особи. Все листья, собранные для одной выборки, сложить в полиэтиленовый пакет, туда же вложить этикетку. В этикетке указать номер выборки, место сбора (делая максимально подробную привязку к местности), дату сбора.   При выборе растений нужно учитывать четкость определения принадлежности растения к исследуемому виду, условия произрастанию особи и возрастное состояние растения.

          Для оценки стабильности развития растения можно использовать любые признаки по различным морфологическим структурам, для которых возможно нормальное значение и соответственно учесть степень отклонения от него. Предпочтительным в силу простоты и однозначности интерпретации является учёт асимметрии исследуемых структур, которые в норме являются симметричными.

    §3.  Флуктуирующая ассиметрия как один из способов оценки

экологического состояния исследуемых объектов

Наиболее доступная и широко применяемая морфогенетическая мера нарушения стабильности развития - флуктуирующая асимметрия как результат неспособности организма развиваться по точно определенным путям. Под флуктуирующей асимметрией понимают мелкие ненаправленные отклонения от симметричного состояния (Захаров, 1987). Существует  теория о том, что различие между левой и правой половинами листа коррелирует со степенью общей нарушенности окружающей среды. В основу методики, используемой при выполнении данной исследовательской работы, положена теория «стабильности развития» («морфогенетического гомеостаза»), разработанная российскими учеными А.В. Яблоковым, В.М. Захаровым и др. в процессе исследований последствий радиоактивного заражения, в том числе после Чернобыльской аварии. Эти ученые доказали, что стрессирующие воздействия различного типа вызывают в живых организмах изменение гомеостаза (стабильности развития). Главными показателями изменения гомеостаза морфогенетических процессов являются показатели флуктуирующей асимметрии – ненаправленных различий между правой и левой сторонами  различных морфологических структур, в норме обладающих билатеральной симметрией. Такие различия  являются результатом  ошибок в  ходе развития организма.  При  нормальных условиях их уровень минимален, возрастая  при  любом  стрессирующем воздействии, что приводит к увеличению асимметрии. Оценка  флуктуирующей асимметрии  билатеральных организмов хорошо себя зарекомендовала  при  определении общего уровня антропологического воздействия

В рамках данного исследования предстоит оценить стабильность развития (степень флуктуирующей асимметрии) на примере листьев березы.                                                                                                                    

Экспериментальная часть I

§1.   Определение степени загрязнения атмосферного воздуха по

степени асимметрии листовой пластинки

         Цель исследования: общая оценка экологического состояния местности по интегральным характеристикам асимметрии листьев березы.

 Новизна работы: новым доступным для школы методом получены данные по загрязнению воздуха на территории посёлка Арья.

Практическая значимость: метод можно применить службам надзора за экологическим состоянием атмосферы, данные применяются на уроках биологии и экологии.

В результате наших исследований было отобрано по пять проб с 5 площадок. В качестве объекта для исследования использовали берёзу. На каждой площадке было отобрано  с 5 близко растущих  деревьев -  по 10 листьев с каждого дерева, всего 50 листьев с одной площадки. Отбирались листья с растений,  находящихся в примерно одинаковых условиях  по уровню освещенности, влажности.  Для анализа использовали только средневозрастные деревья, избегая, молодые и старые экземпляры.

                         Сбор листьев:  листья отбирались случайным образом с веток, по возможности, без повреждений.   Листья, брались с нижней части кроны на уровне поднятой руки с максимального  количества доступных веток, при этом старались задействовать ветки разных направлений, условно с севера, юга, востока и запада.  У берёз листья брали только с  укороченных побегов.  Листья брали примерно одного размера. Листья с одного дерева связывали  ниткой по черешкам и складывали в полиэтиленовые пакеты для транспортировки в  школу. Каждый пакет  (выборка) снабжались этикеткой, на которой указывали место сбора и номер площадки.  Исследования проводились в осенний период  2012 года. В качестве объекта исследования служили листья березы. Для изучения данной проблемы были выбраны пробные площадки в различных частях посёлка и за его пределами.

          В  качестве  контроля  служила  территория  леса.  Экспериментальные площадки размещались в черте посёлка, территории которых отличались между собой  степенью антропогенной нагрузки. При изучении биоиндикационных свойств листьев березы  нами была изучена асимметрия  листовой  пластины;

 Ход работы: Для определения асимметрии листовой пластины снимали промеры  слева и справа от главной жилки листа по признакам:

1 - ширину левой и правой половинок листа;

2 - длину жилки второго порядка, второй от основания листа;

3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок второго      порядка;

4 - расстояние между концами этих жилок;  Данные показатели измеряли с  помощью линейки и выражали в см;

5 - угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой      второго порядка. Этот показатель измеряли с помощью транспортира и выражали в градусах. При вычислении асимметрии листовой пластины, находили модуль разности между промерами слева (L) и справа(R) делили на сумму этих  же промеров: ׀L-R׀ / ׀L+R׀. Вычисляли показатель асимметрии для каждого листа. Для этого суммировали значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делили на число признаков.

            Таблица «Пятибалльная шкала оценки отклонений состояния организма от условной нормы по величине интегрального показателя стабильности развития для берёзы повислой» (Захаров и др., 2000)

Измерения листьев   проводились с разных площадок. Рассчитав показатель асимметричности для каждой  площадки в отдельности, мы сравнили полученные значения и сделали выводы о большем или меньшем отклонении той или иной площадки от нормы.

 Вывод: 1.         Степень загрязнения атмосферного воздуха соответствует норме.

                2.  Загрязнение  окружающей  среды  влияет на асимметрию  листовой пластинки;

§2.  Методика  определения площади листовой пластины   древесных растений в загрязненной и чистой зонах

  Существует несколько способов измерения площади листьев. По методике М.С. Миллера – это весовой метод, при помощи светочувствительной бумаги, подсчета квадратиков на миллиметровой бумаге, планиметрический. Модификацией данного метода является разработка Л.В. Дорогань, где предварительно для древесной породы определяется переводной коэффициент, а затем, путем измерение длинны и ширины производят массовые вычисления листьев. Это значительно ускоряет работу при больших выборках.

Ход работы: Сбор листьев проводился  30 сентября 2012 года. Этот период наиболее благоприятен для сбора листьев, так как они уже полностью сформировались под влиянием условий окружающей среды. Установление переводного коэффициента основано на сравнении массы квадрата бумаги с массой листа, имеющего такую же длину и ширину. Для этого берут бумагу, (в клеточку) и очерчивают квадрат, равный длине и ширине, а затем аккуратно обрисовывают его контур. Вычисляют площадь квадрата бумаги, вырезают и взвешивают его, затем вырезают контур листа и так же взвешивают.  Рис. 1 Определение массы квадрата и листа                                             

Из полученных данных вычисляют переводной коэффициент по формулам 1 и 2.

Где:

1. K – Переводной коэффициент
2. S – Площадь листа (л), или квадрата бумаги (кв).
3. P – Масса квадрата бумаги, или листа

Вычисление коэффициента производится на основании средних  факторов (8- 9 листьев). Таким же расчетом он устанавливается отдельно для каждого вида растений.

                           Измерение длины и ширины листа.

Затем измеряют длину (А) и ширину (В) и умножают на переводной коэффициент (К) (формула3):

Получаем ряд значений изменчивости площади листьев для древесной породы в разных экологических условиях. Для каждого ряда вычисляют среднеарифметические величины, сравнивают между собой. При сборе материала для биоиндикационных исследований следует учитывать следующие правила:      в качестве модельного объекта выбирается обычные, широко распространенные виды, в данном случае  Береза бородавчатая. Начинать сбор материала необходимо после завершения интенсивного роста листьев, что примерно соответствует концу июня и до их опадания осенью.

 Описание выполнения исследования:

Учитывая все вышеуказанные факты и материалы, в экспериментальной части были выбраны следующие объекты исследования: береза бородавчатая. Все собранные листья были засушены, это дало нам возможность провести исследование в более позднее время года (ноябрь).

Для определения массы тетрадного листа и листьев использовали методику Дорогань, визуально представленную на рисунках 1 и 2.

Измерение переводного коэффициента произвели по формулам 1, 2.  Площадь  листовой пластинки определили, используя формулу 3. Данные занесли в таблицу 4. По полученным данным построили вариационные ряды (таблица 5) и вариационные кривые  (Графики 1-2) изменчивости площади листовой пластинки, изучаемых объектов.

Результаты:

В ходе выполнения исследования, используя вышеназванную методику, определили значение переводного коэффициента для измерения площади листовой пластинки:

Используя значения переводного коэффициента, определила площади листовых пластинок  березы бородавчатой:

По данным построили вариационные ряды изменчивости площади листовой пластины

Вариационная диаграмма изменчивости площади листьев вида

Вывод: самым чистым экспериментальным участком стал – «Лес», самым загрязнённым – «Дорога».

Заключение

В ходе выполнения исследования были изучены  особенности использования растений в качестве биоиндикаторов и получены следующие результаты:

1. Определение степени загрязнения атмосферного воздуха по    степени асимметрии листовой пластинки : самым чистым экспериментальным участком стал – «Лес», самым загрязнённым – «Дорога» .

2. Применив методику  определения площади листовой пластины   древесных  растений для определения состояния воздушной среды я определила, что самым чистым экспериментальным участком стал – «Лес», самым загрязнённым – «Дорога».

Гипотеза работы подтвердилась.

Список литературы

1. Билич, Г.Л. Биология  полный курс. Ботаника / Г.Л. Билич, В.А. Крыжановский. - М. - 2004.
2. Вайнерт, Э. Биоиндикация  загрязнений  наземных  экосистем / Э. Вайнерт, Р. Вальтер, Т. Ветцель и др. - М. - 1988.
3. Вронский, В.А. Прикладная экология / В.А. Вронский. Ростов-на-Дону. - 1996.
4. Владимиров, В.В. Расселение и экология / В.В. Владимиров. - М. - 1996.
5. Гунар, И.И. Практикум по физиологии растений / И.И. Гунар. - М. - 1972.
6. Иванова, Н.А. Титов Ю.В. Экология растений / Н.А. Иванова, Ю.В. Титов. Томск. - 2002.
7. Карташев, А.Г. Биоиндикация. Экологического  состояния   окружающей  среды / А.Г. Карташев. Томск. - 1999.
8. Кремер, Б.П. Деревья / Б.П. Кремер.- М.-2002.
9. Кулагин, Ю.З. Древесные растения и промышленная среда / Ю.З. Кулагин. М. - 1974.  
10. Луканин, В.Н. Промышленно - транспортная экология / В.Н. Луканин. - М. - 2003.
11. Машинский, Л.О. Город и природа / Л.О., Машинский. - М. - 1973.
12. Потапова, Т.В. «Метод оценки здоровья природной среды по нарушениям билатеральной симметрии листьев» / Т.В. Потапова // Исследовательская  работа  школьников. -2005. - №3.
13. Розанов, С.И. Общая экология / С.И. Розанов. - М. - 2003.
14. Тетюрев, В.А. Методика эксперимента по физиологии растений / В.А. Тетюрев.- М.-1955.
15. Шенников, А.П. Экология  растений / А.П. Шенников. - М. - 1950.