Что такое биоиндикация

Биоиндикация – это метод оценки действия экологических факторов при помощи биологических систем. В качестве биоиндикатора выбран чувствительный к выхлопным газам автомобилей вид сосны обыкновенной.

В настоящее время широко дискутируются возможности использования живых организмов разных видов для биоиндикации. Несомненно, использование любого вида возможно, и актуальность исследований связана с поставленными целями.

В то же время, использование растений для целей биоиндикации по сравнению с животными организмами являются более перспективным в связи с их большой чувствительностью и отсутствием миграции.

Среди древесных растений удобным видом является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L. ) в связи с её:

1. Большой чувствительностью по сравнению с лиственными породами из-за замедленного процесса листопада и накоплением загрязнителей в теле растения.

2. Относительно простой и удобной для исследования статического анализа анатомической структурой.

3. Широким ареалом в разных природных зонах.

4. Частым использованием в качестве лесопарковой культуры в районах с высоким уровнем промышленного производства и транспортной нагрузки.

Оценка влияния на растительность атмосферных загрязнителей является составной частью биомониторинга, включающего в себя систему процессов взаимодействия источников загрязнения на растительность окружающей территории.

Одной из задач мониторинга является строгий контроль за составом атмосферы и управление состоянием среды. Именно действие совокупности факторов за сравнительно длительный период времени можно наблюдать, если взять долгоживущие растительные объекты, позволяющие сделать вывод о целостности реакции на загрязнение и составить прогноз.

Для оценки состояния атмосферного воздуха нами используется биоиндикатор сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L. ). Общеизвестно, что она является видом, реагирующим на загрязнение среды обитания продуктами техногенеза. Этот фитоиндикатор в естественных условиях растет в северной части республики Башкортостан и в горах Урала. В связи с этим сосна обыкновенная представляет собой удобный объект для биоиндикации уровня загрязнения в нашем Краснокамском районе.

«Реакции Pinus sylvestris L. на наличие загрязняющих веществ в воздухе и почве неспецифичны и отражают общий уровень загрязнения среды химическими веществами различной природы. Для оценки химической нагрузки на фитоиндикатор используют разные его признаки (характеристики). Самым распространенным и наиболее простым в исполнении является морфологический подход. В различных литературных источниках в качестве индикационных признаков рекомендуется использовать величину годового прироста соснового побега, длину листовой пластинки, размеры генеративных органов.

Информативным признаком определенного уровня загрязнения атмосферы является состояние хвои: изменение окраски (хлороз, пожелтение), преждевременное увядание хвои, время жизни, наличие некротических пятен. При этом форма и цвет некротического пятна является специфической реакцией на определенный вид загрязнения, а доля пораженной поверхности хвоинки может быть использована для количественной оценки реакции фитоиндикатора. Для индикационных целей могут быть использованы также морфологические и анатомические характеристики хвои сосны.

Хвоя сосны может быть использована и как биоаккумулятор аэрогенных загрязнений. Это связано с тем, что хвоя сосны обладает способностью эффективно поглощать загрязняющие вещества, в частности, соединения металлов, в виде аэрозолей за счет диффузионного осаждения последних в полостях и воздушных каналах листовой пластинки. Сосна обладает также биоаккумулирующей способностью для ряда металлов, соединения которых поглощаются корневой системой из почвы. Ввиду малой поверхности листа, утолщенной кожицы и малого количества устьиц вынос поглощенных микроэлементов с поверхности листовой пластинки сосны при испарении влаги и газообмене с атмосферой очень мал. За время жизни хвои (4-6 лет в зависимости от условий произрастания дерева) в ее массе накапливаются характерные для данной местности микроэлементы в количествах, достаточных для аналитического определения» (http://www. chemicaldisarmament. ru/print/137. html).

Определили участки проведения работы. Участок №1 находится вблизи шоссейной дороги с интенсивным двусторонним движением транспорта. Подсчитали количество автомобилей, проходящих по данному участку дороги за 10-минутный интервал времени, которое составило 47 машин. Средняя скорость движения транспорта была 70 км/ч.

Статистические данные. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами примерно 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеродов. В результате по России от автотранспорта за год в атмосферу поступает огромное количество только канцерогенных веществ: 27 тыс. т бензола, 17,5 тыс. т формальдегида, 1,5 т бенз(а)пирена и 5 тыс. т свинца. В целом, общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобилями, превышает цифру в 20 млн. т.

Необходимо отметить, что с точки зрения наносимого экологического ущерба, автотранспорт лидирует во всех видах негативного воздействия: загрязнение воздуха – 95%, шум – 49,5%, воздействие на климат – 68% (ecoguild. narod. ru).

Живописный северо-западный район Башкортостана между Белой и Камой оказался богатым на «черное золото». Участок №2 находится вблизи НГДУ «Арлан-нефть». Это крупное газодобывающее предприятие расположено юго-восточной части Краснокамского района, создано в 1965 году.

«Для предотвращения порывов трубопроводов, увеличения сроков работы оборудования и охраны окружающей среды обеспечена полная герметизация системы сбора и транспортировки нефти и воды.

Процессы добычи, транспорта, подготовки и поддержания пластового давления автоматизированы и телемеханизированы полностью.

Сегодня первостепенное внимание уделяется вопросам экологии, на более ¾ всех скважин, подлежащих капитальному ремонту до 2000 года, предстоит выполнить работы, направленные на охрану окружающей среды и земных недр».

Участок №3 находится в округе санатория-профилактория «Хазино». В живописном уголке Башкортостана, где кажется, природа дарит исцеление, юго-восточной части Краснокамского района, расположен санаторий-профилакторий «Хазино». Восточная часть района расположена на Прибельской увалисто-волнистой равнине. В долине Белой много озер и стариц. Имеются источники сероводородных минеральных вод. Это обстоятельство вкупе с наличием лечебной грязи и способствовало созданию санаториев-профилакториев, нп «Хазино» НГДУ «Арлан-нефть». Санаторий-профилакторий находится на лесной поляне, в стороне от жилья и транспортных магистралей. Растущие здесь величавые сосны и ели стерегут тишину укромного уголка, лесные тропинки, причудливо извиваясь, ведут к земляничным полянам, озеру Ширгызы, грибным потайным местам. Все вокруг дышит покоем и гармонией.

Методом наблюдения определить наличие хлоротических пятен, некрозов на хвоинках сосны обыкновенной, различное состояние крон и состояние почек.

В кабинете с помощью лупы, линейки, миллиметровой бумаги провести визуальную оценку побегов для определения продолжительности жизни хвои.

Применить статистический метод для наблюдаемых данных, т. е. результаты учетов показать в виде таблиц.

Методом сравнительного анализа сделать заключение о зависимости показателей от условий произрастания растения.

4. 1. 1. Выявили степень повреждения хвои. С ветвей 5 деревьев (в молодых – 30-40-летних древостоях) на каждом участке отбирали побеги одинаковой длины. «При благоприятных условиях сосны живут 350-400 лет» (Б. М. Миркин, Л. Г. Наумова Растения Башкортостана Уфа «Китап» 2002). С них собирали всю хвою и визуально анализировали ее состояние. Степень повреждения хвои определяли по наличию хлоротичных пятен, некротических точек, некрозов. Все хвоинки тщательно рассматривали для определения класса повреждения и усыхания.

Оценка повреждения (желтые или черные пятна): 1- хвоинка без пятен, 2- есть несколько мелких пятен, 3- много пятен, некоторые из них крупные во всю ширину хвоинки.

Оценка усыхания: 1- нет сухих участков, 2-кончик 2-2мм усох и пожелтел, 3- усохло до 1/3 длины , 4- вся хвоинка желтая, более ½ длины сухая. Надо иметь в виду, что шипик на конце хвоинки всегда более светлый, поэтому его окраска не включается в оценку!

4. 1. 2. Результаты учетов занесли в таблицу.

Повреждение и усыхание хвои сосны обыкновенной в разных зонах

Состояние хвои Участок №1 Участок №2 Участок №3

Количес-тво % хвоинок от Количес-тво хвоинок% хвоинок от Количес-тво % хвоинок от общего хвоинок общего количес-тва общего количес-твахвоинок количес-тва

Обследовано хвоинок 2600 100 2850 100 3300 100

Повреждения хвои:

Класса 1

450 17,3 648 22,74 1338 40,55

Класса 2 610 23,46 592 20,77 824 24,97

Класса 3 830 31,92 849 29,8 529 16

Усыхание хвои:

Класса 1

1890 72,69 2089 73,3 2691 81,55

Класса 2 440 16,92 454 15,93 353 10,7

Класса 3 270 10,4 307 10. 77 256 7,76

4. 1. 3. Сосна очень чувствительна к ядовитым газам, которые выбрасывают автомобили. У сосен на участке №1, растущих вблизи автодорог, живой, здоровой хвои совсем мало. Выхлопной газ с вредными веществами, проникая внутрь через устьица, вызывает отравление живых тканей. В результате хвоя повреждается и усыхает. Из собранных хвои с ветвей 5 деревьев, большинства из них с большим числом черных и желтых пятен.

На участке №2, вблизи НГДУ «Арлан-нефть», обнаружили хвоинки сосны обыкновенной с небольшими повреждениями - мелкими пятнышками и усохшими на кончике участками.

В округе санатория-профилактория «Хазино» хвоинки, собранные с ветвей 5 деревьев сосны обыкновенной, большинства не повреждены, они ярко сизо-зеленые, чистые, пятен мало, нет у них усохших участков.

4. 2. 1. Для определения продолжительности жизни хвои произвели визуальную оценку побегов сосны.

Продолжительность жизни хвои устанавливают путем просмотра побегов с хвоей по мутовкам. Количество учетных деревьев – 20 на каждом участке.

4. 2. 2. Результаты определений оформили в виде таблицы.

Продолжительность жизни хвои сосны обыкновенной в разных зонах

Состояние хвои Участок №1 Участок №2 Участок №3

Количес-тво % от общего числа Количес-тво % от общего Количес-тво % от общего деревьев деревьев деревьев числа деревьев деревьев числа деревьев

Обследовано деревьев, в том числе: 20 100 20 100 20 100

с возрастом хвои 4 – 5 лет и более - 0 - 0 - 0

с возрастом хвои 3 – 4 года

4 20 7 35 9 45

с возрастом хвои 2 – 3 года

9 45 8 40 11 55

хвоя только текущего года

7 35 5 25 - 0

Индекс продолжительности жизни хвои сосны (Q) 1,85 2,1 2,45

4. 2. 3. Рассчитали индекс продолжительности жизни хвои сосны (Q) по формуле:

3В1 + 2В2 +В3

Q= –––––––––––––,

В1+ В2 +В3 где В1, В2, В3 – количество деревьев с продолжительностью жизни хвои соответственно 1, 2, 3 года.

4. 2. 4. Продолжительность жизни хвои зависит от уровня загрязненности воздуха. Чем выше индекс Q, тем больше продолжительность жизни хвои сосны. Длинные узкие хвоинки сосны располагаются на ветвях парами. После отмирания они также остаются соединенными и опадают вместе. Массовое опадение сухой сосновой хвои происходит осенью. А незадолго до этого в кронах сосен бывает хорошо заметна своеобразная пестрота: часть хвои зеленая, а часть – желтая. Если присмотреться, нетрудно заметить, что зеленые хвоинки располагаются на побегах данного года и прошлогодних, а желтые – на более старых побегах, которым уже три года. «В средней полосе страны хвоинки сосны живут обычно не более двух-трех лет. На Крайнем Севере и в других районах с суровым климатом «век» хвоинок гораздо дольше».

4. 3. 1. Определили состояние генеративных органов сосны обыкновенной. Подсчитали число сформировавшихся почек на 3 ветвях каждого из 20 деревьев на каждом участке.

4. 3. 2. Измерили длину и толщину почек.

4. 3. 3. Средние значения подсчетов и измерений занесли в таблицу.

Состояние почек сосны обыкновенной в разных зонах

№ участков Количество почек, шт. Длина почек, мм Толщина почек, мм

Участок №1

вблизи шоссейной дороги (опытные образцы)19 4-5 2-3

Участок №2

вблизи управления по добыче нефти 24 5-6 4-5

Участок №3

в округе санатория-профилактория «Хазино»40 7-8 5-6

(контрольные образцы)

4. 3. 4. Каждую весну у сосны распускаются почки и появляются молодые побеги, как у лиственных деревьев. Состояние почек также взаимосвязано с условиями произрастания деревьев. Количество сформировавшихся почек для опытных образцов равнялось 6±2, для контрольных 12±2, длина почек на опытном участке равняется 4-5 мм, толщина почек – 2-3 мм, на контрольном участке в округе санатория-профилактория «Хазино» длина почек составляет 7-8 мм, толщина – 5-6 мм.

5. 4. 1. Определили степень загрязнения снежного покрова. Снеговой покров является накопителем большинства загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферный воздух. В связи с этим снег в экологическом мониторинге может быть использован своеобразным индикатором чистоты атмосферного воздуха. На участках собирали снег с мест, на которых отсутствовали какие-либо следы деятельности человека, выгула домашних животных, прочих локальных загрязнений. Снег растапливали, талые воды фильтровали. Эту воду использовали для выращивания семян тыквы. Для прорастания семян создали одинаковые условия, только использовали талые воды снежного покрова, взятые из разных объектов исследования.

Развитие более мощных проростков происходит в среде, выращенной с добавлением талых вод снежного покрова, взятого на участке в округе санатория-профилактория «Хазино». Семена проросли дружно за 5 суток. Это означает, что в чистой среде клетки быстрее делятся, размножаются и становятся все больше и больше.

В среде, выращенной с добавлением талых вод снежного покрова, взятого на участке №2 вблизи НГДУ «Арлан-нефть», развиваются слабые проростки тыквы. Семена проросли за 7 суток.

В среде, выращенной с добавлением талых вод снежного покрова, взятого на участке №1 автотрассы, семена только набухли и начали прорастать только на 11 сутки.

Прорастание семян, выращенный в среде с добавлением талых вод снежного покрова, снижается пропорционально уровню его загрязненности токсическими веществами. Чем больше загрязнен снег, тем выше угнетающее воздействие на процессы жизнедеятельности семян и соответственно меньше темпы их роста.

4. 5. 1. Определили интенсивность годовых приростов побегов. Измерили длину прироста каждого года. Длину прироста следует измерять, начиная с последнего года, двигаясь по междоузлиям от года к году.

4. 5. 2. Измерили толщину побегов. Ветвление побегов определяют путем подсчета веточек в местах междоузлий.

4. 5. 3. Средние значения по длине прироста, толщине побегов и ветвлении занесли в таблицу.

Характеристика побегов сосны обыкновенной в разных зонах

№ участков Длина годового прироста, мм Ширина побега, мм Ветвление, штук

Участок №1

вблизи шоссейной дороги (опытная 128 6 – 7 мм 1 - 2 группа)

Участок №2

вблизи управления по добыче нефти 138 8 – 10 мм 2 - 3

Участок №3

в округе санатория-профилактория 147 10 – 12 мм 3 - 4

«Хазино» (контрольный участок)

4. 5. 4. Длина прироста каждого года на побегах у растений опытной группы в большинстве случаев была меньше таковой, чем для контрольных образцов. У сосен опытной группы на участке №1, растущих вблизи автодорог длина прироста каждого года варьировала от 125 до 129 мм, ширина побегов от 4 до 8 мм. На контрольном участке №3 в округе санатория-профилактория «Хазино» длина годового прироста составляла от 145 до 149 мм, ширина побегов 10-12 мм.

4. 6. 1. Для определения состояния кроны древостоев осмотрели по 20 деревьев на каждом участке. Визуальную оценку древостоев проводят по совокупности признаков: состоянию ствола, ветвей, корней, ажурности крон, приросту по высоте.

4. 6. 2. Результаты оценки состояния деревьев представили в виде таблицы.

Состояние кроны деревьев в разных зонах

Состояние кроны Количество деревьев Количество деревьев Количество деревьев

Участок №1 Участок №2 Участок №3

Обследовано деревьев, в том числе: 20 20 20

с густой зеленой кроной, отмирающие ветви в нижней части кроны

(В1) 5 7 11

со слабо ажурной кроной; усыхание ветвей в нижней трети кроны (В2) 4 4 3

ажурной кроной; сухие ветви в средней и верхней частях кроны

(В3) 3 3 3

сильно изреженной кроной или с отдельными живыми ветвями (В4)

свежий сухостой; ветви усохли в текущем году (В5)

старый сухостой; деревья усохли в прошлые годы (В6)

показатель обесхвоенности кроны (%) 41 32 20

4. 6. 3. Вычисляем показатель обесхвоенности кроны. Расчет производят по формуле:

В2 +2В3 + 3В4 +4В5+ 5В6

F = –––––––––––––––––––––––– 100%,

5 х (В1 +В2 + В3 +В4+ В5+ В6) где В1 ,В2 ,В3 ,В4, В5, В6 – количество деревьев с соответствующим состоянием кроны.

Сосны здесь растут в лесу, поэтому у них крона формируется только на вершине дерева. Сами деревья высокие, стройные, как колонны, ветки только вблизи вершин, где больше света.

На участке №1 вблизи автотрассы у деревьев много сухих отмерших веточек, а те, что остались в живых, покрыты короткой, редкой хвоей.

На участке №2, вблизи НГДУ «Арлан-нефть», большинства деревьев со слабоажурной или ажурной кроной.

На участке №3 в округе санатория-профилактория «Хазино» сосны с густой зеленой кроной.

Исследовательская деятельность членов кружка при разработке этой темы заключается в определении морфологических и биохимических изменений у растений под действием антропогенных факторов.

На загрязнение среды наиболее сильно реагируют хвойные древесные растения. Использование хвойных в качестве биоиндикаторов дает возможность оценить состояние окружающей среды. Характерными признаками неблагополучия окружающей среды, и особенно газового состава атмосферы, является появление разного рода некрозов, уменьшение размеров многих органов (хвои, побегов текущего года и прошлых лет, их толщина, размеры шишек, размеры и числа заложившихся почек). Ввиду уменьшения роста побегов и хвои в длину у растений в загрязненной зоне наблюдается сближенность хвоинок.

Биоэкологическое исследование было проведено в районе села Куяново, расположенный в юго-восточной части Краснокамского района. Объектом исследований выбран вид сосна обыкновенная. Растения оценивались как по качественным (состояние хвои, состояние деревьев, продолжительность жизни хвои), так и по количественным показателям (длина прироста, толщина побегов, ветвление). Морфологические и биохимические изменения у растений под действием антропогенных факторов были изучены на участке, находящейся вблизи автотрассы (зоне с загрязненным воздухом) и НГДУ «Арлан-нефть». Контролем служили ветви деревьев, собранные в зеленой зоне (в округе санатория-профилактория «Хазино»). Внешне действие токсикантов проявляется в некрозах – пятнах на листьях и стеблях, в изменениях окраски листьев (бледно-зеленый цвет, покраснение или пожелтение), в низкорослости, изрежении кроны, опадении листвы.

При осмотре хвои с помощью лупы выявлено, что кончики большинства хвоинок на участке вблизи автотрассы имеют желто-коричневый цвет, большинство хвоинок с пятнышками, что свидетельствует о загрязнении воздуха.

Состояние окружающей среды можно оценить по комплексу других признаков сосны обыкновенной, например по продолжительности жизни хвои. Высокий индекс продолжительности жизни хвои – Q=2,45, получили в зоне санатория-профилактория «Хазино», а на участке №1 вблизи автодорог– Q=1,85, это низкий показатель индекса продолжительности жизни хвои.

Длина прироста каждого года на побегах у растений опытной группы в большинстве случаев была меньше таковой для контрольных образцов. Ширина побегов варьировала от 6 до 12 мм, количество веточек в местах междоузлий от 1 до 4. Количество сформировавшихся почек для опытных образцов равнялось 6±2, для контрольных 12±2, длина почек на опытном участке равняется 4-5 мм, толщина почек – 2-3 мм, на контрольном участке в округе санатория-профилактория «Хазино» длина почек составляет 7-8 мм, толщина – 5-6 мм.

Состояние кроны сосны обыкновенной в разных зонах различается, т. к. определяется состоянием атмосферного воздуха на разных участках. На участке №1 вблизи автотрассы у деревьев много сухих отмерших веточек, а те, что остались в живых, покрыты короткой, редкой хвоей.

На участке №2, вблизи НГДУ «Арлан-нефть», большинства деревьев со слабоажурной или ажурной кроной.

На участке №3 в округе санатория-профилактория «Хазино» сосны с густой зеленой кроной. Сосны здесь растут в лесу, поэтому у них крона формируется только на вершине дерева. Сами деревья высокие, стройные, как колонны, ветки только вблизи вершин, где больше света.

Используя полученные цифры, можно получить значение класса загрязнения воздуха, римскими цифрами обозначены: I- идеально чистый воздух, II- чистый, III- относительно чистый(“норма”), IY-загрязненный (“тревога”), Y-грязный (“опасно”), YI-очень грязный(“вредно”),”-“-невозможные сочетания. В местах, где заметно влияние промышленной зоны или автомагистрали, обычно воздух загрязненный (IY класса). Идеально чистый воздух (I) в лесных районах, удаленных от промышленных центров и дорог.

Анализ полученных в ходе исследований результатов показал:

1). Состояние атмосферного воздуха в округе санатория-профилактория «Хазино» в общем можно оценить как чистое.

2). Выше степень загрязнения воздуха в лесном участке вблизи– там его состояние можно оценить как относительно чистое (“норма”).

3). Более высокую степень загрязненности воздуха в лесном участке вблизи автодороги, вероятно, можно объяснить влиянием автотранспорта– там его состояние можно оценить как близкое к загрязнённому (“тревога”).

Земля у нас одна. Мы должны заботиться о хорошем будущем, о прекрасной Земле, о дружбе человека и природы. Ни лес, ни озеро, ни горы, ни животный и растительный мир не могут сами позаботиться о себе. Вот это желание светлого, доброго, прекрасного будущего должно объединять каждого из нас.

Многообразны дары природы, которые использует человек. Самая священная цель человечества – сохранение дикой природы, без которой невозможен не только прогресс человеческой цивилизации, но и сама жизнь человека.

Все живое имеет право на жизнь. Лучшая помощь природе – невмешательство и устранение вмешательств в жизнь любой экосистемы. Любая работа должна быть сделана грамотно, поэтому образование, самообразование, природоохранные акции в школе – первые и самые важные шаги для любого дела. Работа лесничества – это не эпизодические мероприятия, а целостная, спланированная круглогодичная система трудовой, исследовательской, просветительской и культурной деятельности. Эта работа одобряюще поддерживается администрацией и самими жителями села. Учащимися МБОУ СОШ с. Куяново ежегодно проводится много работ на питомниках лесничества по посадке деревьев, организуется очистка леса от мусора. Рядом с реликтовым лесом возрождаются молодые аллей, в основном из сосен. Все это проводится с одной лишь целью: оставить подрастающему поколению чистую природу. Результаты наших работ налицо. Куяново – это прекрасное село, со своими красивыми домами, чистыми улицами, лесными насаждениями, чистым воздухом и прекрасными жителями.

А по-настоящему ценить природу мы начнем только тогда, когда своими руками посадим хотя бы несколько деревьев, очень осторожно, аккуратно, чтобы не поранить корни, и всей душой пожелав, чтобы они непременно выросли.

Нам приятно думать, что когда-нибудь они станут могучими, красивыми деревьями, будут укрывать людей от ветра и защищать от жары, очищать и наполнять воздух ароматом, а каждой весной на их ветках птицы будут вить гнезда, выводить птенцов и радовать своим пением тех, кто умеет слушать природу.

Нам было бы обидно, если бы кто-нибудь срубил посаженные нами деревья только ради того, чтобы попить соку или принести домой охапку ароматных цветов черемухи или калины.