Влияние естественных и антропогенных экологических факторов на устойчивость биоты

Проблема загрязнения окружающей среды как некогда актуальна, в наши дни, так как окружающая среда оказывает воздействие на здоровье человека и значительно влияет на устойчивость биоты. Но только ли загрязнение оказывает влияние или естественные экологические факторы тоже могут изменять устойчивость биоты, этот вопрос заинтересовал меня при написании моей работы по изучению влияния транспорта на почвы биоценоза.

Влияние естественных и антропогенных экологических факторов на устойчивость биоты.

Жизнь на Земле сформировалась под действием условий среды. Последняя представляет собой совокупность энергии, материальных тел, явлений, которые находятся во взаимодействии. В понятие условий среды входят компоненты, не влияющие или мало влияющие на жизнедеятельность организмов и те, которые существенно влияют на жизнедеятельность биоты. Биота – исторически сложившаяся совокупность живых организмов, обитающая на какой- либо крупной территории. В отличие от понятий биоценоз и биом, Биота не подразумевает экологических связей между видами. (Н. Ф. Реймерс, 1995). Так существенно влияющие факторы называются экологическими (свет, температура, вода, засоление почв, радиоактивность и другие). Экологические факторы действуют совместно, хотя в ряде случаев один фактор преобладает над другими, является определяющим в ответных реакциях организмов.

Экологические факторы делятся на:

1. абиотические - климатические, почвенно-грунтовые, топографические или орографические (рельеф)

2. биотические - взаимоотношения живых организмов

3. антропогенные.

Классификация эта довольно условна, в нее укладываются не все факторы и некоторые из них могут быть отнесены к нескольким категориям.

Все экологические факторы воспринимаются разными видами организмов по– разному. Однако все действия проходят через клетки и компоненты, межклеточные и тканевые взаимодействия и выражаются в определенных реакциях изменения метаболизма, функций и, в конце концов, морфологических изменениях организма и их сообществ. Большую роль в восприятии экологических факторов играют мембраны клеток, цитоплазма. Так свет у растений воспринимается двумя группами рецепторов. Это хлоропласты

(хлорофилл и каратиноидыа) и система фитохромаб.

Действие стрессовых экологических факторов выражаются в изменении или нарушении структур клеток, тканей, и физиологических функциях всего организма. Эти изменения определяются как силой и характером действия фактора и устойчивостью организма. (В. Г. Астахова, 1983)

В нашей работе мы провели ряд исследований по действию абиотических факторов (влияние низких и высоких температур) и антропогенных (влияние фактора и устойчивости растений к выхлопным газам, солям тяжелых металлов).

Влияние факторов выражается в изменении проницаемости покровных тканей листа, изменение в компонентах клетки (плазмолиз, коагуляция, разрушение хлорофилла), а также нарушение жизнедеятельности отдельных органов растения.

Определение устойчивости растений к высоким температурам.

Температура - один из основных экологических факторов на Земле. Она меняется в широком диапазоне в зависимости от природных зон, и конкретных условий (вулканическая деятельность, горячие источники, выброс тепла энергетическими установками и др. ). Разные типы растений по-разному относятся к этому фактору. Так, некоторые растения выдерживают более высокие температуры, чем другие растения. В пределах последней группы также имеются большие различия.

Работа проводится с группой древесных растений различных видов, встречающихся в данной местности. Это дает возможность построить ряд древесных видов по степени устойчивости к высоким температурам, выявить наиболее устойчивые из них. В этой связи мы брали по 5-6 свежих листьев от различных древесных пород, обернув концы черешков в мокрую вату, фольгу, а все листья поместили в целлофан. В крайнем случае, можно использовать комнатные растения. Принцип метода предложен Ф. Ф. Мацковым и основан на установлении порога повреждения живых клеток от экстремальных температур. Если подвергнуть листья действию высокой температуры, а затем погрузить в слабый раствор соляной кислоты, то поврежденные и мертвые клетки побуреют вследствие свободного проникновения в них кислоты, которая вызовет превращение хлорофилла в феофитин (бурого цвета), тогда как неповрежденные клетки останутся зелеными. У растений, имеющих кислый клеточный сок, феофитинизация может произойти и без обработки соляной кислотой, т. к при нарушении полупроницаемости тонопласта органические кислоты проникают из клеточного сока в цитоплазму и вытесняют магний из молекулы хлорофилла. Данную работу лучше проводить в первую половину вегетации, когда не наблюдается естественного разрушения хлорофилла у древесных пород. Оборудование, реактивы, материалы:

1) водяная баня; 2) термометр; 3) пинцет; 4) чашки Петри (5 шт. ); 5) стакан с водой; 6) тонкая проволока; 7) карандаш по стеклу; 8) 0,2 н раствор соляной кислоты; 9) свежие листья древесных растений

Ход работы.

Нагрели водяную баню до 40 градусов, и погрузили в нее пучок из 5 одинаковых листьев, скрепив черешки проволочкой. Выдержали в воде в течении 30 минут, при данной температуре. После этого поместили по одному листу в чашки Петри с холодной водой и потом пинцетом перенесли в чашку с кислотой. Все это же проделали при температурах 50, 60, 70, 80градусов.

Таблица 1. Определение устойчивости растений к высоким температурам.

объект Степень повреждения листьев

40 50 60 70 80

Береза - + ++ +++

Тополь - - + ++ +++

Сосна - - + + ++

Ель - - ++ +++

- отсутствие побурения

+ слабое побурение

++ побурение более50% площади листа

+++ сплошное побурение.

Как видно из данных представленных в табл. 1,что более высокие температуры могут выдержать сосна и тополь, а береза может выступать в роли биоиндикатора высоких температур. На основании этих данных, мы составили ряд устойчивости древесных пород по степени убывания:

Сосна- тополь- береза, ель.

Определение температурного порога коагуляции белков цитоплазмы клеток разных растений.

Клетки разных растений имеют неодинаковую устойчивость к повышенным температурам. Цель работы - показать эту разницу на ряде древесных растений. При этом предлагается два метода определения коагуляции белка цитоплазмы (по Вигорову, и Генкелю, 1961).

Определение по Генкелю

Температура, при которой в течение 10 мин полностью коагулируют белки цитоплазмы, считается условной границей жаростойкости растений. Гибель клеток устанавливается по потере ими способности плазмолизировать.

Оборудование,реактивы, материалы

1)микроскоп; 2) стаканы химические большие (6 шт. ); 3) пробирки (5 шт. ); 4) большая колба; 5) электроплитка; 6) термометр; 7) острая бритва; 8) препаровальная игла; 9) кисточка; 10) предметные и покровные стекла; 11) кусочки фильтровальной бумаги; 12) карандаш по стеклу; 13) 1 М раствор сахарозы; 14) 0,02%-ный раствор «нейтрального красного»; 15) свежие листья разных древесных растений, растущих во дворах (без влияния газов автотранспорта).

Ход работы

Острой бритвой приготовить по 12 срезов эпидермиса листьев разных древесных растений, поместить по два среза в пробирки, в которые налито небольшое количество водопроводной воды. Нагреть в большой колбе воду. Смешивая горячую воду с холодной, приготовить в шести химических стаканах водяные бани с температурой 48, 50, 52, 54, 56 и 580с. Надеть на пробирку поясок из бумаги, где записать температуру. Погрузить одновременно в водяные бани пробирки со срезами, поддерживая установленную температуру путем осторожного подливания в стаканы горячей воды. Через 10 мин извлечь срезы кисточкой из пробирок, перенести на предметные стекла, снабженные надписями.

Если клетки не содержат пигмента, следует их окрасить, выдержав в растворе «нейтрального красного> в течение 10-15 мин, затем отсосать раствор краски фильтровальной бумагой, нанести на срезы по капле 1 М раствора сахарозы, закрыть покровными стеклами и через 15-20 мин рассмотреть в микроскоп. Наличие плазмолиза показывает, что клетки живые, отсутствие - мертвые.

Таблица 2. Определение температурного порога коагуляции белков цитоплазмы

Название Температура в градусах растений

48 50 52 54 56 58

Береза - +

Тополь - - - - - +

Сосна - - - - - +

Ель - - - +

- отсутствие плазмолиза

+ наличие плазмолиза

Данные, занесенные в таблицу 2, подтверждают результаты предыдущего опыта, что тополь и сосна являются растениями способными выносить высокие температуры. Из этих данных видно, что клетки березы погибают при температуре 500 , а ели при температуре 540 – поэтому эти древесные породы можно использовать в качестве биоиндикаторов высоких температур

Определение устойчивости побегов древесных растений к низким температурам

При подготовке к зимнему покою в побегах растений происходит целый ряд изменений, которые способствуют выработке определенных качеств устойчивости к низким температурам. Это снижение содержания свободной воды и повышение прочно связанной, увеличение количества жиров и углеводов, а также лигнификацияв клеточных оболочек древесины. В природе о подготовке к зимним условиям судят по гибкости или ломкости побегов, соответствующей окраске коры, хорошо сформировавшимся почкам. Все вышеуказанное включается в понятие «вызревание побегов», под чем подразумевается не только лигнификация, но и опробковение покровов побега, заложение верхушечной почки, физиологобиохимические и структурные изменения биоколлоидов протоплазмыг и накопление в клетках запасных веществ. У морозостойких видов на срезах побегов хорошо видна резкая граница между камбием и древесиной, у неморозостойких эта граница плохо просматривается, т. е. они вступают в зиму с незаконченной дифференцировкой древесины. Замечено также, что чем раньше заканчивается рост побегов в длину, тем полнее в них завершаются процессы древесины и вызревания. (А. И. Федорова,2003)

Оборудование, реактивы, материалы

1) микроскоп; 2) предметные и покровные стекла; 3) чашки Петри; 4) кисточка; 5) флороглюцин (5%-ный спиртовый раствор); 6) 25%-ная серная кислота; 7) 1 %-ный перманганат калия (КМпО4); 8) 15%-ная соляная кислота; 9) концентрированный аммиак; 1О дистиллированная вода; 11) гипохлорит кальция (насыщенный и слегка подкисленный раствор); 12) 1%-ный сульфит натрия; 13) раствор Люголя (в 100 мл воды растворяют KJ, после чего добавляют 0,2 г кристаллического йода); 14) побеги последнего года морозостойких (тополь) и неморозостойких (шиповник) видов.

Ход работы

Описание веток Ветки морозоустойчивых и неморозостойких видов осмотрели и попробовали на сгибание и ломкость. Вызревший побег обычно соломенно-коричневого цвета, хорошо ломается, почки хорошо выражены с коричневыми кроющими чешуями. Невызревший побег зеленый, гнется, а не ломается, почки мелкие. Так и в том и другом случае, как у тополя, так и у шиповника побеги вызревшие.

Реакция на лигнин Лигнификация клеточных оболочек древесины свидетельствует о прошедшем этапе вызревания побега и его подготовке к зиме. Существует две большие группы лигнина: компонент «Ф» - флороглюциновая реакция, компонент «М» - реакция Меуле с перманганатом. При одревеснении побегов и подготовке их к зиме появляется сначала лигнин «М», а потом лигнин «Ф». Но, мы в наших условиях смогли провести только реакцию на лигнин « М», так как у нас нет флюроглюцина. Перманганатная реакция. Срезы из воды вмещаем на предметное стекло и заливаем 2-3 каплями 1% раствора перманганата калия на 5 минут, после чего раствор удаляем фильтровальной бумагой и заливаем на 15% соляной кислотой до их обесцвечивания. Удаляем кислоту и промываем срезы водой, затем наносим 2-3 капли аммиака и рассматриваем в микроскоп. Оболочки не окрашиваются в томатно-красный цвет у тополя, а у шиповника реакция положительная, что указывает о неполном одревеснении побега и следовательно береза не является морозоустойчивой.

Морозоустойчивость побегов определяется не только состоянием клеточных оболочек, но и содержанием запасающих веществ.

Реакция на крахмал. Срезы поместили в раствор Люголя на 5-10 минут. У тополя произошло окрашивание среза в синий цвет с добавлением пурпурной окраски, что указывает и на молодые только, что образовавшиеся крахмальные зерна. У шиповника наблюдается чуть заметное окрашивание среза. Таким образом, у морозостойких растений наблюдается больший запас крахмала.

Влияние солей тяжелых металлов на плазмолиз протоплазмы растительной клетки

Соли тяжелых металлов в водной среде распадаются на ионы. Все ионы металлов могут быть разделены на две группы: биогенные (Си, Zn, Со, Мп, Fe и др. ) и не биогенные (РЬ, Hg, Sn, Ni, AI, Cd, Sr, Cs и др. ). Среди последней группы ионы стронция и цезия действуют как биогенные при замене в органических веществах кальция на стронций и калия на цезий. Биогенныед ионы входят в состав ферментных систем, которые обеспечивают регуляцию всех процессов в клетке и организме. Поэтому их ПДК значительно выше, чем у не биогенныхе. При поступлении в растения воздушным (через устьица) или капельным (роса, туман, слабые осадки) путями определенная доза биогенныхё тяжелых металлов включается в состав ферментных систем, что стимулирует метаболические процессы. Так, медь входит в состав ферментов, участвующих в процессах темновых реакций фотосинтеза, способствует поглощению других элементов; цинк входит в состав ферментов, расщепляющих белки, увеличивает устойчивость растений к жаре, засухе, болезням. Лишь при более высоких концентрациях они действуют как токсиканты. В очень малых концентрациях он оказывает нейтральный эффект, затем его токсическое действие усиливается, достигая точки ПДК (пунктирная стрелка), наступает перелом с усилением токсического эффекта. Целью работы является выявление действия биогенных и не биогенных тяжелых металлов на плазмолиз протоплазмы растительной клетки.

Оборудование, реактивы, материалы 1) микроскоп; 2) предметные и покровные стекла; 3) препаровальная игла; 4) бритвы; 5) пипетка на 1-3 мм; 6) стаканы с дистиллированной водой; 7) кусочки фильтровальной бумаги; 8) 5%-ный растворы солей CuS04, РЬ(NО3 )2 , 9) луковица синего лука

ХОД работы: С поверхности сильноокрашенной синей луковицы сделать несколько срезов эпидермиса, состоящего из 1- 2 слоев окрашенных клеток, содержащих антоциан. Поместить срезы по отдельности в капли воды на предметные стекла, закрыть покровными стеклами и рассмотреть в микроскоп. Клетки с окрашенным клеточным соком зарисовать. Определить начало и характер плазмолиза клетки под действием одинаковых концентраций биогенных и не биогенных солей. Для этого: заменить воду в препаратах 5%-ным раствором CuS04 на одном предметном стекле и таким же раствором РЬ(NОЗ)2 на другом. Эта замена производится способом 4-5-кратного закапывания раствора соли с одной стороны покровного стекла и отсасывания кусочком фильтровальной бумаги с другой до полной замены воды раствором соли. Оставить клетки в растворе соли-на-15 мин, когда плазмолиз будет хорошо заметен, рассмотреть в микроскоп. Зарисовать.

Из представленных нами рисунков видно, что при более высоком содержании биогенных металлов они выступают в роли токсикантов и приводят к плазмолизуз, при достаточно низких концентрациях возможен, деплозмолизи. Поэтому считать их вредными для растений возможно лишь при наличие достаточно высоких концентраций Не биогенные соли тяжелых металлов такие как например соли свинца, являются токсикантами при различных концентрациях и всегда приводят к плазмолизу.

Определение сравнительной устойчивости древесных растении к выхлопным газам автотранспорта. Выявление биоиндикаторов

Выхлопные газы автотранспорта составляют в настоящее время более-80% от суммы выбросов токсических веществ в городских экосистемах, Все их компоненты(а их более 200) действуют синергическик, иногда проявляют и эмерджентныел свойства. От выхлопных газов страдают как автотрофы (зеленые растения), так и гетеротрофы (человек и животные). В то же время некоторые растения очищают атмосферу от вредных примесей, В состав выхлопных газов входят такие токсичные вещества, такие как угарный газ, окислы азота, сернистый газ, соединения свинца и различные канцерогенные углеводороды.

Оборудование, реактивы, материалы: 1) насос , груша 2) автомобильная резиновая камера, предварительно наполненная газами от выхлопной трубы карбюраторного двигателя с использованием автомобильного насоса; 3) специально смонтированные стеклянные камеры на 750-1000 мл, резиновые пробки к ним. С двумя вмонтированными стеклянными трубками, резиновые шланги, зажимы лабораторные, стеклянные заглушки; 4) длинные пинцеты; 5) пластилин; 6) весы 7) разновесы; 8) фольга; 9) вата; 10) зеленые неповрежденные листья различных древесных растений.

Ход работы 8 г листьев древесных растений взвешивают на весах, складывают черешками вместе, последние обертывают мокрой ватой, а затем фольгой - для сохранения у растений нормального водообмена и фотосинтеза. Фольга формуется так, чтобы образовалась плоская поверхность, прилегающая ко дну колбы, а листья стояли вертикально. Колбы и резиновые пробки со стеклянными трубками стерилизуют 5 мин над кипящей водяной баней горлышком вниз, затем переворачивают горлышком вверх и осушают на закрытой На дно колб длинным пинцетом вертикально опускают пучки листьев разных древесных растений фольгою вниз, пробку закрывают, все возможные щели (колба-пробка или пробка-трубка) заделывают пластилином, на все трубки укрепляют зажимы и заглушки. Камеру обертывают полотенцем во избежание ее растрескивания при работе со стеклянными емкостями, не предназначенными для вакуума.

Насосом в колбе создают вакуум. Время для получения вакуума определяют опытным путем. В нашем случае - это 30 прокачиваний насосом. Затем трубку, идущую к насосу, зажимают зажимом и открывают трубку, идущую от автомобильной резиновой камеры с газом. При этом хорошо слышный хлопок показывает, что выхлопные газы вошли в безвоздушную камеру. Если хлопка не было, следует проверить герметичность камеры и создать вакуум заново. Затем, сняв зажимы, прокачивают насосом через камеру. При использовании насоса для этого нужно 40 прокачиваний. После этого все трубки зажимают зажимами и для гарантии сохранности в колбе газов трубки на концах еще закрывают стеклянными запаянными заглушками. При надежности всех звеньев опыта накачка одной колбы-камеры с созданием вакуума занимает 10мин. Таким образом, в камеры можно накачать любые газы (в том числе и из загазованных рабочих помещений цехов или с улиц). Колбы с растениями в газовой среде устанавливают на естественном или искусственном сильном свету, т. к. поглощение вредных газов растениями в природе происходит в процессе фотосинтеза. Наблюдение за растениями производится через 1-2-3-5 дней. Отмечают все видимые изменения: пожелтение листьев, по6ронзовение, почернение, некрозы, высчитывают процент этих изменений. Отмечают, с какой стороны камеры у растений происходят наиболее сильные изменения (с той, что обращена к свету или с противоположной). Затем составляют ряд устойчивости растений к токсичному компоненту.

Таблица 3. Определение устойчивости древесных растений к выхлопным газам автотранспорта.

растения 1 день 2 день 3 день 4 день 5 день береза Пожелтение листьев - Некрозы тополь - - Пожелтение листьев - некрозы ель - Пожелтение листьев некрозы сосна - - Пожелтение листьев некрозы

Исходя из данных представленных в таблице 3. делаем вывод, что наиболее устойчивыми к загрязнению выхлопными газами являются тополь, сосна. Именно эти растения необходимо высаживать вдоль автомобильных дорог. Наименее устойчивы береза, ель - их можно использовать в роли биоиндикаторов в процессе слежения за загрязнением окружающей среды.

Заключение.

Влияние экологических факторов на устойчивость биоты можно рассматривать с двух сторон: с одной стороны – влияние естественных факторов, с другой - влияние антропогенных факторов.

Рассматривая влияние естественных факторов на устойчивость биоты мы пришли к следующим выводам, да температурные факторы оказывают значительное воздействие на растения, в зависимости от этого растения подразделяются на теплолюбивые и хладостойкие. Резкие колебания температур могут привести к морфологическим изменениям растения, а иногда и к смерти, в ходе изменений происходящих на клеточном уровне, в частности плазмолиза. В ходе нашей работы мы выявили растения устойчивые к резкому изменению температур – это тополь и сосна, а береза может являться биоиндикатором при резком изменении температур.

Действие антропогенных факторов проявляющихся в загрязнении атмосферы выхлопными газами, а также биогенными и не биогенными солями тяжелых металлов, все таки оказывается значительно сильнее, естественных факторов и наносит больший вред устойчивому развитию биоты. В ходе нашей работы мы выяснили, что более устойчивыми к действию этих факторов являются тополь и сосна. Они могут выдерживать достаточные концентрации загрязняющих веществ. Поэтому для озеленения городов желательно использовать эти виды растений. Возникает естественный вопрос, - А как быть с тополиным пухом? Для этого желательно использовать для посадки мужские особи тополя и производить декоративную подрезку.

В этом году использую данные моей работы и данные работы Гордеевой Златы по лишайниковому мониторингу загрязнения окружающей среды, ознакомив учащихся школы и администрацию поселка, решили приступить к озеленению центральной части поселка и пришкольной территории. А, я решила изучить, как влияет загрязнение окружающей среды непосредственно на хвойные и лиственные деревья и сделать сравнительный анализ их устойчивости к загрязнению окружающей среды.