Биоиндикация – тайный язык живых организмов

Биоиндикация – тайный язык живых организмов

1. Введение
2. Теоретический обзор
3. Практическая часть
4. 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.

1. 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. 

​​​​​​​

2. Анализ доступности методик

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.