Биоиндикация – тайный язык живых организмов
Биоиндикация – тайный язык живых организмов
- Введение
- Теоретический обзор
- Практическая часть
- Выводы
Введение
Я мечтаю стать художником. Знаю, что природа является источником вдохновения для создания произведений искусств. В разговоре с учителем биологии я узнала, что природа вокруг нас не только поражает разнообразием и красотой, но и может быть источником надежной информации о состоянии окружающей среды. Объекты живой природы словно маячки подают нам сигналы: “Всё хорошо” или “Осторожно, среда загрязнена”. Как важно научиться понимать этот язык природы!
В ходе работы я попытаюсь выяснить, что это за сигналы, как их считывать. Какая наука занимается этим? Можем ли мы, ученики начальных классов, освоить тайный язык живых организмов?
Цель работы: узнать о тайном языке живых организмов – биоиндикации.
Объект исследования: биоиндикация.
Предмет исследования: доступность использования тайного языка живых организмов - биоиндикации учениками начальной школы.
Методы исследования. [1] Теоретические: гипотетический метод и обобщение. Эмпирические: наблюдение, описание, счет, измерение, сравнение.
Гипотеза: если мы сможем осуществить анализ состояния окружающей среды с помощью биоиндикации, то будем считать этот метод доступным для учеников начальной школы.
Новизна исследования: научная популяризация методов экологического мониторинга окружающей среды.
Практическая значимость и актуальность работы заключается в том, что на основе данных биоиндикации люди могут узнавать о состоянии окружающей среды самостоятельно, без сложной и дорогостоящей аппаратуры.
Теоретический обзор
Биология, как наука о живых организмах является комплексной, она состоит из отдельных наук: зоология изучает животных, ботаника - растения, а вот экология исследует взаимодействия живых организмов между собой и с их средой обитания.
Впервые термин «экология» в 1866 году ввёл немецкий биолог Э. Г. Геккель. В книге «Общая морфология организмов» он писал об экологии как о науке, изучающей взаимоотношения живой и неживой природы. Уже во 2-й половине. 20 в. в связи с резкими неблагоприятными последствиями воздействия человека на биосферу резко возрастает практическое значение экологии. Сегодня экологический подход становится необходимым при решении производственных, научно-технических, демографических и других задач. [2]
Оказалось, что именно экология, молодая и такая важная наука, изучает и использует этот тайный язык природы.
История развития биоиндикации.
Становление биоиндикации шло параллельно с развитием биологии. Еще в античные времена встречались указания на возможность оценки свойств почв и степени их увлажненности по состоянию растительного покрова. Первые схемы растений-индикаторов горных пород были составлены А. П. Карпинским в конце 19 века. Выделено новое направление учения о комплексных индикаторах - растительных сообществах. В начале 20 века биоиндикаторы широко использовались при изучении сельскохозяйственных угодий, климата, горных пород, ареалов грунтовых вод, поиске полезных ископаемых. [3]
Определение биоиндикации
Биоиндикация – обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологическим индикаторам присущи признаки, свойственные системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменения, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений. [3]
Существует два вида биоиндикации: пассивная и активная.
Пассивная биоиндикация. Исследования у свободноживущих организмов видимых или незаметных повреждений и отклонений от нормы, являющихся признаками неблагоприятного воздействия.
Активная индикация или биотестирование- исследование тех же воздействий в стандартных условиях на наиболее чувствительные к данному фактору тест-организмы. Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест-объектов - специально отобранных и выращиваемых живых организмов, сигнализирующих об опасности, независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения их жизненно важных функций. [3]
Сущность биоиндикации.
Каждому организму для благополучного существования нужны комфортные условия. Если мы говорим о природных объектах, то понимаем все внешние факторы – неживой (температура, освещенность, питательность и увлажненность почв для растений, химическая чистота среды обитания) и живой природы (воздействие окружающих организмов). Каждый организм приспособлен к сложному комплексу условий местообитания. Когда какой-либо из компонент достигает значения, находящемуся вне зоны комфорта и приспособленности организм начинает испытывать угнетение, что в дальнейшем может привести к его гибели. На неблагоприятные условия организмы реагируют определенными действиями. Биоиндикаторы обладают ярко выраженной реакцией на внешнее воздействие. Отслеживание внешних изменений -сущность биоиндикации.
Практическая часть
Практическую часть мы разобьем на несколько этапов.
На первом этапе соберем методики и оценим их по доступности. Будем учитывать доступность объектов исследования, оборудования и специальных знаний, расчетов.
На втором этапе практической работы апробируем технику проведения доступных нам методик.
На третьем этапе проведем мониторинг с использованием апробированных методик.
- Сбор различных методик биоиндикации
Для определения доступности метода биоидикации мы собрали методики из разных книг, в нашей коллекции их получилось 22!
№ 1. Определение уровня загрязнения воздуха по состоянию сообщества эпифитных лишайников [5]
№ 2. Характеристика свойств почвы с помощью растений индикаторов [5]
№3. Оценка загрязнения водных объектов органическим веществом с использованием индикаторов сапробности [5]
№4. Оценка уровня загрязнения водных объектов органическим веществом методами крупных таксонов [5]
№5. Определение острой токсичности воды и донных отложений по результатам биотестирования [5]
№6. Оценка хронической токсичности воды и донных отложений по результатам биотестирования [5]
№7. Определение класса опасности отходов по результатам биотестирования
№8. Определение LC50 и IC50 по результатам биотестирования [5]
№9. Фитоиндикация антропогенной нагрузки на окружающую среду по показателям биоразнообразия и состоянию древесно-кустарниковой растительности [6]
№10. Биоиндикация рекреационной нагрузки на экосистему [6]
№11. Биоиндикация токсичности осадков. Биотестирование снежного покрова [6]
№12. Биоиндикация состояния окружающей среды фитопатологическими методами [6]
№13.Биоиндикация состояния окружающей среды по морфометрическим характеристикам растений [6]
№14. Биоиндикация загрязнения атмосферы по состоянию хвои сосны обыкновенной [6]
№15.Биоиндикация степени увлажнения почвы по строению корневой системы одуванчика [6]
№16. Биоиндикация фитотоксичности почв [6]
№17. Фитоиндикация эдафических факторов [6]
№18.Фитоиндикация качества окружающей среды по показателям флуктуирующей асимметрии [6]
№19 Фитоиндикация состояния окружающей среды по встречаемости фенов клевера [6]
№20. Зооиндикация загрязнения почв по количественной оценке популяции дождевых червей [6]
№21. Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха с помощью лишайников [6]
№22. Биоиндикация токсичности природных вод с помощью дафний. [6]
Подобно тому, как повар подходит к выбору рецепта из множества, мы тоже проведем анализ.
- Анализ доступности методик
№ п/п | Объект | Доступ-ность | Сложное оборудование, специальные знания | Доступ-ность | Расчёты | Доступ-ность | Доступ-ность итог |
1 | Лишайники | + | Определитель лишайников | + | + | - | ++- |
2 | Группы растений-индикаторов | + сезонно | Определитель высших растений | - | + | - | +-- |
3 | Группы организмов-гидробионтов | + | микроскоп | - | + | - | +-- |
4 | Группы организмов макрозообентоса | + | + | - | + | - | +-- |
5 | Тест-объект (рачок дафния) | - | микроскоп | + | - | + | -++ |
6 | Тест-объект (рачок дафния) | - | микроскоп | + | + | - | -+- |
7 | Тест-объект (рачок дафния) | - | микроскоп | + | + | - | -+- |
8 | Тест-объект (рачок дафния) | - | микроскоп | + | + | - | -+- |
9 | Группы растений | + сезонно | Определитель высших растений | - | + | - | +-- |
10 | Группы растений | + сезонно | Определитель высших растений | - | - | + | +-+ |
11 | Тест-объект | + сезонно | - | + | + | + | +++ |
12 | Группы растений | + сезонно | Определитель высших растений | - | + | - | +-- |
13 | Группы растений | + сезонно | - | + | + | + | +++ |
14 | Сосна | + | - | + | + | + | +++ |
15 | Одуванчик | + сезонно | - | + | + | + | +++ |
16 | Тест-объект | + сезонно | - | + | + | + | +++ |
17 | Группы растений | + сезонно | Определитель высших растений | - | + | - | +-- |
18 | Листовые пластинки | + сезонно | - | + | + | + | +++ |
19 | Клевер | + сезонно | Определитель высших растений | + | + | - | ++- |
20 | Дождевой червь | + сезонно | - | + | + | - | ++- |
21 | Лишайники | + | Определитель лишайников | + | + | + | +++ |
22 | Тест-объект (рачок дафния) | - | микроскоп | + | - | + | -++ |
Из 22 методик нам доступны №11, 13, 14, 15, 18 и 21. Из-за сезонных ограничений в данный момент времени доступны 2 методики - № 14 и 21.
Для осуществления второго этапа нашей работы мы выбрали следующую методику: «Биоиндикация загрязнения атмосферы по состоянию хвои сосны обыкновенной»
Цель: оценка загрязнения атмосферы по характеру повреждений хвои сосны обыкновенной.
Оборудование: миллиметровая бумага, линейка, бюксы для сбора хвоинок, пинцет, бинокуляр.
Теоретический минимум
Сосновые леса являются одними из наиболее чувствительных к загрязнению атмосферного воздуха. Это обусловливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного воздействия на атмосферу. Информативными показателями техногенного воздействия являются изменения морфологии, анатомического строения и продолжительности жизни хвои. В незагрязненных сосняках основная масса хвои не имеет повреждений, и лишь незначительная часть хвоинок несет светло-зеленые пятна и некротические точки микроскопических размеров, равномерно рассеянные по всей поверхности. Характерными признаками неблагополучия окружающей среды служат появления разного рода хлорозов и некрозов, уменьшение длины хвои, побегов текущего года и прошлых лет, их толщины, размера шишек, сокращение величины и числа заложенных почек. Последнее является предпосылкой уменьшения ветвления. Ввиду меньшего роста побегов и хвои в длину в загрязненной зоне наблюдается сближенность расстояния между хвоинками (их больше на 10 см побега, чем в чистой зоне). Наблюдается утолщение самой хвои, уменьшается продолжительность ее жизни (1–3 года в загрязненной зоне и 6–7 лет – в чистой). Все эти признаки не специфичны, однако в совокупности дают довольно объективную картину.
Методика биоиндикации загрязнения атмосферы по хвое сосны следующая:
1. Выбирается учетная площадка 10×10 м, на которой учитываются 5–6 модельных сосновых деревьев (рекомендуются молодые особи высотой 1–1,5 м), которые произрастают на более или менее открытых местах. Это важно для исследования повреждений хвои, потому что у таких деревьев повреждения выражены сильнее и более заметны, чем у деревьев в густых насаждениях.
2. Отмечается близость транспортных магистралей и степень вытаптывания участка по 4-балльной шкале: 1-вытаптывания нет; 2- присутствуют тропы без травяного покрова тропы; 3-интенсивное вытаптывание, на большей части площадки нет ни травы, ни кустарников; 4-интенсивное вытаптывание, травяной покров только у деревьев. В случае вытаптывания территории 3 и 4 балла, биоиндикация загрязнения атмосферы невозможна
3. С модельных деревьев берут выборку хвои по следующей схеме: 1-осмотреть дерева хвоинки предыдущего года (вторые сверху мутовки), если дерево большое, то обследование проводить на боковом побеге в четвертой сверху мутовке; 2- с нескольких боковых побегов в средней и верхней части кроны отобрать 200–300 хвоинок второго и третьего года жизни.
4.В лаборатории измеряют длину хвои на побеге прошлого года. Устанавливают продолжительность жизни хвои путем просмотра побегов с хвоей по мутовкам.
5. Отмеряют 10 см побега прошлого года и подсчитывают число хвоинок (в загрязненной зоне пучки хвоинок более сближены и на 10 см побега их больше). Если побег меньше 10 см, подсчет ведется по существующей длине и переводится на 10 см. 5. Осматривают отобранные хвоинки при помощи лупы и распределяют их по степени повреждения и усыхания.
Ход работы
1. Выберите два участка парка, леса или сквера, подверженные разной степени антропогенному загрязнению (удаленность от источника токсических выбросов, от крупной транспортной магистрали и т.д.).
2. Заложить пробные площадки. Оценить их близость к транспортным магистралям и степень вытаптывания площадки.
3. Выбрать модельные деревья и отобрать побеги прошлого года. Сделать оценку числа хвоинок на побегах.
4. Результаты обследования занести в таблицу.
5. Отобрать с побегов хвоинки и распределить их по степени повреждения и усыхания. Результаты занести в таблицу.
6. Дать сравнительную оценку загрязнения атмосферы на обследованных участках.
7. Результаты исследования оформить в тетради.
Выводы: в ходе работы нами был осуществлены задачи по реализации первого этапа работы – были собраны методики и проведена оценка их доступности по трём показателям: доступность объектов исследования, оборудования и специальных знаний, расчетов.
На втором этапе практической работы апробируем технику проведения доступных нам методик.
На третьем этапе проведем мониторинг с использованием апробированных методик.
Список использованной литературы
1.Методы и средства научных исследований: учеб. пособие / Ю. Н. Колмогоров [и др.]. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2017.— 152 с
2. Экология //М. : Большая российская энциклопедия, 2017. — С. 267—268. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 35).
3. Ляшенко О.А., Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды: учебное пособие/ СПб ГТУРП. -СПб., 2012 - 67с.
4. Савватеева О. А., Мокрушина М. Г. Биоиндикация по хвойным породам деревьев в городах (на примере г. Дубна московской области) Международный университет природы, общества и человека «ДУБНА» г. Дубна, Московской области
5. Ляшенко О.А., Кустикова М.А., Конопелько Л.А., Быковская Е.А., Тимофеева И.В., Василевская А.В., Маюрова А.С., Экология. Биологические системы в оценке состояния окружающей среды. Учебно-методическое пособие. – СПб: Университет ИТМО, 2019. – 51 с.
6. Назаренко, Н.Н. Биоиндикация окружающей среды [Текст]: учебно-практическое пособие / Н.Н. Назаренко, М.Ю. Мосиенко. – Челябинск: Изд-во Южно-Урал. гос. гуман.- пед. ун-та, 2019. – 115 с.
Панов Егор Игоревич