Наукова робота. Використання методу ліхеноіндикації для визначення чистоти повітря

Роботу виконала:
Іспанюк Богдана Тарасівна,
учениця 9 класу
Комунального закладу „Хащуватський ліцей”
Гайворонського району
Кіровоградської області

Вчитель:
Муржак Ольга Василівна,
вчителька біології
Комунального закладу „Хащуватський ліцей”
Гайворонського району
Кіровоградської області,
лауреатка IV Всеукраїнського Інтернет-конкурсу 
„УЧИТЕЛЬ РОКУ–2019” за версією
науково-популярного природничого журналу
„КОЛОСОК” у номінації „Біологія”

ВСТУП

Екологічний моніторинг стану повітряного середовища – це одне із центральних завдань сучасної екології [1]. Існує велика кількість методів оцінки стану навколишнього середовища – біологічний, біохімічний, хімічні, фізико-хімічні, фізичні, географічні. Один із перспективних та економічно-доцільних методів екологічного моніторингу – біоіндикація, що включає велику кількість аспектів, пов’язаних із використанням біологічних об’єктів для індикації впливу антропогенного навантаження на стан довкілля [2]. Дане питання є актуальним в теперішній час, так як необхідно формувати «екологічну совість», тобто відповідальність за стан нашої планети перед наступними поколіннями, з’ясувати і негативний вплив антропогенного фактору на стан атмосфери, обґрунтувати яким чином застосування екологічних знань у практичній діяльності людини дає змогу значно зменшити антропогенний вплив на довкілля; необхідно виховувати особистостей, відповідальних за долю майбутнього суспільства, за стан біосфери і людства.

Метою даного дослідження є:

– привернути увагу населення до екологічної ситуації, стану атмосфери на території Вільховатського лісництва ;

– з’ясувати, що таке біоіндикація, ліхеноіндикація, які існують методи даних досліджень;

– використання найпростішої методики ліхеноіндикації, проведення спостережень та дослідів у природі, формування вміння теоретично обґрунтовувати зібраний матеріал;

– встановити причини погіршення стану атмосфери;

– мотивувати необхідність поведінкової діяльності щодо покращення стану довкілля.

Завдання:

1. З’ясувати стан атмосфери на окремих ділянках Вільховатського лісництва, де росте багатовіковий дуб і з’ясувати як стан забруднення повітря впливає на довговічність дубів.
2. З’ясувати, що таке біоіндикація, ліхеноіндикація, які існують методи даних досліджень.
3. Використати на практиці найпростіші методики ліхеноіндикації.
4. Провести польові дослідження, з виявлення видового складу лишайників, частоти їх трапляння та ступеня розвитку слані.
5. Розробити рекомендації щодо покращення стану довкілля.

Об’єктом дослідження є лишайники , які ростуть на корі дерев на ділянках з різним антропогенним навантаженням.

Предметом дослідження є ступінь розвитку слані лишайників, їх видовий склад як засіб ліхеноіндикації, поширення різних видів лишайників в залежності від чистоти повітря, з’ясування впливу стану забруднення атмосфери на довговічність дубів.

Методи використані під час дослідження: статистичний, спостереження, описовий, польові дослідження.

Дослідження проводилися протягом 2015 року.

РОЗДІЛ І. БІОІНДИКАЦІЯ

У першому розділі роботи “ Біоіндикація ” – систематизовано теоретичний матеріал про біологічні індикатори.

1.1. Суть методу біоіндикації.

Проблема забрудненості навколишнього середовища є глобальною проблемою сучасного екологічного стану. Одним з найважливіших критеріїв сприятливості екологічної ситуації є чистота повітря.

Біоіндикація заснована на спостереженні за складом і чисельністю видів-індикаторів. Біоіндикація використовується в екологічних дослідженнях, як метод виявлення антропогенного навантаження на біоценоз. Метод біоіндикаторів заснований на дослідженні впливу екологічних факторів, що змінюються, на різні характеристики біологічних об’єктів і систем. У якості біоіндикаторів вибирають найбільш чуттєві до досліджуваних факторів біологічні системи або організми. Зміни в поводженні тест-об’єкта оцінюють у порівнянні з контрольними ситуаціями, прийнятими за еталон. Один зі специфічних методів моніторингу забруднення навколишнього середовища – біоіндикація, визначення ступеня забруднення геофізичних середовищ за допомогою живих організмів, біоіндикаторів.

Біологічні індикатори – організми, присутність (наявність), кількість або інтенсивний розвиток яких є показником якихось природних процесів або умов зовнішнього середовища.

Біоіндикація − оцінка якості середовища існування або її окремих характеристик за станом біоти у природних умовах. Використовуючи біоіндикацію можна оцінити ступінь забруднення оточуючого середовища, здійснити постійний контроль (моніторинг) його якості та змін. Головна мета біоіндикації – діагностика стану екосистем шляхом встановлення здатності організмів до адаптації у відповідних умовах довкілля. Основним завданням біоіндикації є виявлення видів – біоіндикаторів, які реагують на зміни у стані довкілля, що виникли під дією природних і антропогенних факторів, і добір індикаторів-тестерів з високим порогом чутливості до змін у стані довкілля.

1.2 Рівні біоіндикації.

Біоіндикатори − види, групи видів або угруповання, за наявності, ступеню розвитку, зміні морфологічних, структурно-функціональних, генетичних характеристик яких роблять висновок про стан довкілля. У якості біоіндикаторів часто виступають лишайники, у водних екосистемах − угруповання бактеріо-, фіто-, зоопланктону, зообентосу, перифітону. Біоіндикаційні дослідження поділяються на два рівні: видовий і біоценотичний. Видовий рівень включає констатацію присутності організму, облік частоти його зустрічаємості, вивчення його анатомо-морфологічних, фізіолого-біохімічних властивостей. При біоценотичному моніторингу враховуються різні показники різноманітності видів, продуктивність цього угруповання.

1.3. Види біоіндикації.

Методи біоіндикації поділяються на два види: реєструюча біоіндикація і біоіндикація за акумуляцією. Реєструєюча біоіндикація дозволяє робити висновок про вплив факторів середовища за станом особин виду або популяції, а біоіндикація за акумуляцією використовує властивість рослин і тварин накопичувати ті чи інші хімічні речовини. Відповідно до цих методів розрізняють реєструючі і накопичують індикатори. Реєструючі індикатори реагують на зміни стану навколишнього середовища зміною чисельності, пошкодженням тканин, соматичними проявами (в тому числі потворність), зміною швидкості росту та іншими добре помітними ознаками. Накопичуючі індикатори концентрують забруднюючі речовини в своїх тканинах, певних органах і частинах тіла, які в подальшому використовуються для визначення ступеня забруднення навколишнього середовища за допомогою хімічного аналізу. Прикладом подібних індикаторів можуть служити хітинові покриви ракоподібних і личинок комах, що живуть у воді, мозок, нирки, селезінка, печінка ссавців, черепашки молюсків, мохи, лишайники.

Організми – біоіндикатори мають бути нечутливими і дуже стійкими до забруднення шкідливими речовинами. Необхідно, щоб у них був тривалий життєвий цикл. Такі організми мають бути широко поширеними на планеті, кожен вид мусить бути пристосований до певного ареалу. Багато рослин чутливі до забруднення атмосферного повітря. Живі індикатори мають суттєві переваги перед дорогими фізико-хімічними методами. Рослини-індикатори вказують на наявність забруднювачів повітря, дають змогу зробити висновки про ступінь шкідливості тих чи інших речовин для живої природи та людини. Серед організмів, що відповідають вище згаданим умовам – лишайники.

Найбільш чутливими індикаторами забрудненого повітря є мохи та лишайники. З-поміж вищих рослин найбільш чутливими до різних забруднень атмосфери є хвойні породи ( на першому місці ялини, потім – ялиця, сосна модрина). Особливо страждають вони від сульфур (ІV) оксиду.

1.4. Методи ліхеноіндикації.

Методи ліхеноіндикації, засновані на вивченні змін структури лишайникових угрупувань і складу ліхенобіонти, за впливом забруднення можуть бути розділені на наступні групи:

1. Аналіз історичних даних, заснований на порівнянні результатів нинішніх спостережень за видами лишайників і попередніх спостережень у тому ж місці.
2. Зміна структури лишайникових угрупувань біля джерела забруднення.
3. Зонування території, яке грунтується на зміні кількості та чисельності видів. Розрізняють так званні «зони лишайників»:

а) лишайникову «пустелю» (місця із сильно забрудненим повітрям – лишайники майже відсутні), вміст двооксиду сульфуру складає 0,3 мг/м³ повітря ;

б) зону «змагання» ( місця із помірною забрудненістю повітря – флора лишайників бідна, види характеризуються пониженою життєздатністю), вміст двооксиду сульфуру в межах 0,05 – 0,2 мг/м³ повітря, на стовбурах дерев присутні види лишайників, що стійкі до забруднювача – ксанторія, фісція тощо;

в) «нормальну» зону ( місця, де зустрічається багато видів лишайників), вміст двооксиду сульфуру нижче 0,05 мг/м³ повітря, на стовбурах зустрічаються види лишайників, що переважають у природних угрупуваннях – паргелія, алекторія та інші.

4. Трансплантація лишайників – перенесення організму із його місця проживання у місце, де він необхідний для моніторингу забруднення стану навколишнього природного середовища.

Ханс Трас розробив шкалу життєвості лишайників, яка відображає умови їх існування. Вона заснована на ступені розвитку талому і здатності до статевого розмноження.

1.5. Переваги методу біоіндикації.

У зв’язку з потребою проведення глобального моніторингу, використання індикаційних можливостей біологічних об’єктів набуває все більшого значення. Рослини-індикатори використовуються як для виявлення окремих забруднювачів, так і для спостереження за загальним станом повітря. Завдяки цілому ряду біологічних особливостей лишайники є добрими індикаторами зміни стану навколишнього середовища в умовах його забруднення двоокисом сірки, фторидами, лужним пилом, важкими металами. При розробці тематики нас цікавила біоіндикація в вузьких рамках, що відноситься до антропогенних або антропогенне модифікованих факторів середовища, при цьому мова йде не про оцінку наявності, концентрації чи інтенсивності будь-якого параметра середовища, а про реакції біологічних систем.

Біоіндикація має ряд переваг перед інструментальними методами. Вона відрізняється високою ефективністю, не вимагає великих витрат і дає можливість характеризувати стан середовища за тривалий проміжок часу. Метод біоіндикації середовища особливо широко використовують у лісовій типології, фітоценології, а також для визначення рівня забруднення атмосферного повітря за допомогою лишайників (ліхеноіндикація), мохів (бріоіндикація) чи грибів (мікоіндикація). Використання біоіндикаційного методу дозволить значно зменшити затрати і ресурси при оцінці стану екосистем. По зменшенню кількості лишайників можна судити про підвищення стресу на сильно забруднених територіях. Угрупування лишайників дають інформацію, пов’язану з багатьма оціночними питаннями включаючи питання, що стосуються забруднення природних ресурсів, біорізноманіття. Лишайники не тільки вказують на здоров’я лісів, крім того, існує чітко встановлений зв’язок зі стресорами навколишнього середовища.

1.6. Вимоги до організмів – індикаторів.

Живі індикатори не повинні бути занадто чуттєвими і занадто стійкими до забруднення. Необхідно, щоб у них був досить тривалий життєвий цикл. Важливо, щоб такі організми були широко поширені по планеті, причому кожен вид повинний бути пристосований до визначеного місцеперебування. Лишайники цілком відповідають усім цим вимогам. Вони реагують на забруднення інакше, чим вищі рослини. Довгостроковий вплив низьких концентрацій забруднюючих речовин викликає в лишайників такі ушкодження, що не зникають аж до загибелі їхніх сланей. Це, мабуть, пов’язане з тим, що лишайники відновляють свої клітини дуже повільно, у той час як у вищих рослин ушкоджені тканини заміняються новими досить швидко. Об’єктом глобального моніторингу лишайники вибрані тому, що вони поширені по всій Земній кулі і оскільки їх реакція на зовнішню дію дуже сильна, а власна мінливість незначна і надзвичайно сповільнена в порівнянні з іншими організмами. Зі всіх екологічних груп лишайників найбільшою чутливістю володіють епіфітні лишайники [3].

Висновок до розділу

Була узагальнена та систематизована інформація про методи біоіндикації повітря, зокрема ліхеноіндикації.

РОЗДІЛ ІІ.

У другому розділі проводимо дослідження чистоти атмосфери за допомогою методу ліхеноіндикації.

2.1. Характеристика ділянок дослідження.

Дослідною територією наших спостережень ми обрали три ділянки, які характеризуються різним антропогенним впливом:

Ділянка №1 – частина лісу, де росте багатовіковий дуб. Дуб знаходиться біля межі с. Мощене, має обхват стовбура 440 см, який було виміряно на висоті 1м 30 см. ( фото зроблено влітку 2014р.)

Ділянка № 2 – край лісу протяжністю 2 км.

Ділянка № 3 – полезахисна смуга, яка прилягає однією стороною до траси Умань – Балта, а іншою – до лісового масиву Вільховатського лісництва. На цій дослідній території людина веде інтенсивну діяльність, змінює ландшафт, здійснює значний антропогенний тиск на дану територію. На цій території зростає штучно створені насадження дерев – полезахисна смуга, довжина якої 1,5 км. У даному районі зростають такі дерева як дуб черешчатий, клен звичайний , ясен, зрідка зустрічається шовковиця. На даній території також зростають кущові рослини: терен, шипшина, свидина, трав’яний покрив складають представники родини Злакових (тонконіг лучний, грястиця збірна, лисохвіст лучний, пирій повзучий ), Бобових (буркун лікарський, конюшина лучна, конюшина повзуча, лядвенець рогатий, горошок мишачий), Складноцвіті ( кульбаба, пижмо звичайне, будяк польовий, різні види осоту, лопух великий, нечуйвітер волохатий, галінсога дрібноквіткова та ін.), Молочайні, Зонтичні, Шорстколисті (синяк звичайний), Губоцвіті (глуха кропива біла, різні сорти шавлії), Жовтецеві (жовтець повзучий, жовтець прямостоячий ), та ін. Серед дерев дуплистих мало. Більшість дерев значних розмірів, старі. Автотранспорту проїжджає багато (100/год).

Дослідження проводилися шляхом візуального спостереження, проведення замірів розмірів слані знайдених лишайників, та статистичної обробки отриманих результатів.

2.2. Виявлення видового складу лишайників.

На дослідних територіях було виявлено лишайники епіфітної форми, тобто місцем їх зростання були дерева, кущі, старі пеньки.

 Пробна ділянка обмежувалася на стовбурі дерев’яною рамкою, розміром 10 см ×10 см , яка розділена всередині тонкими дротиками на квадратики по 1см². Додаток (А)

На кожній пробній ділянці виконували наступне. Рамку накладали на стовбур дерева і фіксували. ( Додаток Б)

 Для кожного типу росту лишайників (кущистих, листуватих і накипних) визначали число (a) квадратів, в яких лишайники займають приблизно половини площі квадрата, потім визначили число (b) квадратів, в яких лишайники займають менше половини площі квадрата. Загальне покриття в процентах обчислили по формулі: R = a + 0,5b.

На піддослідних деревах ми описали чотири пробні ділянки: дві – у основи стовбура (з різних його сторін) і дві – на висоті 1,4 – 1,6 м. Обстеження провели, підрахувавши кількість всіх видів лишайників, що в ростуть в районі дослідження. Окрім виявлення видового складу, визначили розміри розеток лишайників і ступінь покриття у відсотках. Оцінка частоти поширення лишайників та їх покриття визначається за 5-бальною шкалою. ( Додаток В)

2.3. Визначення відносної чистоти атмосфери.

Після проведення досліджень на декількох десятках дерев робимо розрахунок середніх балів зустрічаємості і покриття для кожного типу росту лишайників – накипних (Н), листуватих (Л) и кущистих (К).

Показник відносної чистоти атмосфери (ВЧА) визначаємо по формулі:

де Н – накипні, Л – листуваті, К – кущисті види лишайників.

Обробивши результати підрахунків і провівши необхідні обчислення, дані заносимо в таблицю 2.

Таблиця 2.1

Оцінка чистоти повітря за допомогою лишайників.

2.4. Обробка статистичних даних.

На дослідній ділянці №3 (полезахисна смуга, яка прилягає однією стороною до траси Умань – Балта, а іншою – до лісового масиву Вільховатського лісництва) були виявлені лишайники таких видів в незначній кількості: пармелія, ксанторія, леканора. Слань листуватих та кущистих лишайників на даній ділянці мала незначні розміри (0,3 – 1 см.). В результаті візуального спостереження було виявлено, що вони мали недорозвинену слань, часточки слані часто були змертвілими, тьмяного забарвлення, що свідчить про хворобливість даних організмів, іноді траплялися і сухі лишайники буро-чорного забарвлення від кіптяви, яка проникла у верхні шари самого лишайника. Хворобливий стан лишайників свідчить про наявність у повітрі двоокис сульфуру (SO₂₎ – однієї з найпоширеніших забруднюючих речовин, продукту згорання будь-якого сульфуровмісного палива, що переконує нас у тому, що лишайники є чудовими перспективними біоіндикаторами, а ліхеноіндикація є перспективним напрямом біоіндикації стану атмосфери, та її забруднення.

На території дослідної ділянки №2 ми виявили зону «змагання» ( місця із помірною забрудненістю повітря – флора лишайників бідна, види характеризуються пониженою життєздатністю), на стовбурах дерев присутні види лишайників, що стійкі до забруднювача – ксанторія, фісція тощо. Слань листуватих та кущистих лишайників на даній ділянці також мала незначні розміри ( 1 – 2,5 см.)

На території дослідної ділянки № 1 в результаті візуальних спостережень, нами було виявлено досить добре розвинуті лишайники із розгалуженою, міцною нормального забарвлення сланню, без некротичних плям, кіптяви на лишайниках не виявлено. Тут виявлено лишайники таких видів: пармелія, ксанторія, леканора. Слань листуватих та кущистих лишайників на даній ділянці також мала значні розміри ( 10 – 25 см.)

Ми порівняли отримані дані із шкалою залежності розвитку слані від забруднення повітря.

Обстеження наявності і стану певних видів лишайників у різних частинах Вільховатсьного лісництва (візуальна ліхеноіндикація) за допомогою шкали залежності розвитку слані від забруднення повітря дало змогу побачити стан атмосфери на цій ділянці та розглянути лишайники як біоіндикатори забруднення повітря. На цій ділянці є досить велика «зона боротьби лишайниками за життя» (навколо третьої ділянки ), «зона змагання» (периферія лісу – друга дослідна ділянка) і «нормальна лишайникова зона» – місця, де зустрічається багато видів листуватих та кущистих лишайників.

Усе це свідчить про значний ступінь забрудненості повітря вихлопними газами, пилом та кіптявою повітря на дослідній території №3, та про менший антропогенний тиск на територію №2, внаслідок різних типів діяльності людини.

2.5. Аналіз результатів дослідження.

1. Користуючись шкалою залежності розвитку слані від забруднення повітря ми визначили, що зона чистого повітря знаходиться саме на ділянці № 1, де росте багатовіковий дуб. На відміну від ділянки № 3, тут ростуть переважно листуваті кущисті лишайники, в тому числі евернія сливова («дубовий мох»), із нормально розвинутою сланню, природним забарвленням, без явних пошкоджень та некротичних плям. Показник відносної чистоти атмосфери в цій ділянці становить 5,3.
2. На ділянці № 2 зустрічаються переважно листуваті види (ксанторія, пармелія, фісція, кладонія), а також накипні лишайники. Показник відносної чистоти атмосфери в цій ділянці становить 3,5.
3. На ділянці № 3, яка характеризується значним антропогенним тиском, зустрічаються переважно накипні види лишайників, зрідка листуваті. Показник відносної чистоти повітря становить 1,5, що є самим низьким серед досліджуваних ділянок.

2.6. Переваги методу ліхеноіндикації над іншими методами біоіндикації.

Лишайники – це симбіотичні організми, які складаються із гриба і водорості. Вони дуже чутливо реагують на порушення тонкого балансу між обома сторонами організму. Лишайники не мають тканин і коренів, а всі поживні речовини отримують із водних розчинів. Ці речовини поступають безпосередньо в слань (талом) лишайника. Таким же чином ці організми можуть засвоювати речовини із повітря, а значить, накопичувати і забруднення. Газообмін у лишайників відбувається через всю поверхню талому. Більшість токсичних речовин концентруються із атмосферного повітря в дощовій воді, яку всмоктують лишайники. Цим вони відрізняються від квіткових рослин, які поглинають воду в основному із грунту. Важливий і той факт, що лишайники, на відміну від вищих рослин, не здатні позбуватися від вражених забрудненнями частин слані і мають здатність рости не тільки літом, але і в інші періоди при мінусових температурах повітря. Тому лишайники реагують на забруднення атмосфери раніше і сильніше, ніж вищі рослини.

Матеріали роботи можуть бути використані екологами під час моніторингу стану атмосферного повітря, а також на уроках з екології, хімії, біології та заняттях гуртків екологічного напрямку.

Висновок до розділу

Визначили чистоту повітря на окремих ділянках Вільховатського лісництва, де росте багатовіковий дуб і з’ясували як стан забруднення повітря впливає на довговічність дубів.

ВИСНОВКИ

У науковій роботі була узагальнена та систематизована інформація про методи біоіндикації, зокрема ліхеноіндикації.

Ліхеноіндикація – перспективний метод біоіндикації повітряного середовища, що здійснюється за допомогою лишайників.

Лишайники – організми, які складаються із гіфів грибів та водоростей є ефективними біоіндикаторами стану повітряного середовища, оскільки відповідають усім вимогам до організмів-біоіндикаторів.

Серед еколого-субстратних груп лишайників з метою оцінки стану повітряного середовища найкраще використовувати епіфітів.

Найбільш стійкими до забруднення повітря SO₂ є накипні форми лишайників.

Чим сильніше забруднене повітря в полезахисній смузі, тим частіше зустрічаються тут саме накипні види лишайників.

Найбільш стійкі – накипні, а кущисті та листуваті не витримують найменшого забруднення, тому вони не ростуть біля доріг.

Чим сильніше забруднене повітря, тим меншу площу покривають лишайники на корі стовбурів.

Практичне значення роботи

Відносна чистота атмосфери в ділянці , де росте багатовіковий дуб , висока, це означає, що саме тут чисте повітря, яке позитивно впливає на довговічність дуба черешчатого.

При підвищеній забрудненості повітря першими зникають кущисті лишайники, за ними – листуваті, останніми – накипні.

Висока чутливість та відносна дешевизна методу ліхеноіндикації дозволяє широко застосовувати його для екологічного моніторингу чистоти атмосферного повітря.

Особисто для мене вивчення теми виявилося дуже цікавим і незвичним. У процесі дослідження я для себе зробила багато нових відкриттів, пов’язаних не лише з темою роботи, а й навколишнім середовищем в цілому. У мене сформувався значний інтерес до цієї теми, і тому ця робота позитивно вплинула на моє ставлення до сучасної науки, до охорони навколишнього середовища.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Ашихміна Т.Я. та ін. Біоіндикація та біотестування – методи пізнання екологічного стану навколишнього середовища. – К: Знання, 2005р. – 450с.
2. Притула Л.А. Екологія: Навч.пос. – К: Знання, 2008р. – 272с.
3. Слюсарев А.О., Самсонов О.В., Мухін В.М. та ін.; Біологія: Навч.пос. – К: Вища школа, 2005р – 622с.

«ІНТЕРНЕТ – РЕСУРСИ»:

1. http://wiki.irkutsk.ru/index.php/Методика_определения_степени_загрязнения_воздуха_по_лишайникам
2. http://www.ronl.ru/referaty/ekologiya/230948/
3. http://privetstudent.com/referaty/referaty-po-ekologii/1849-metody-ekologicheskogo-monitoringa-bioindikacionnye-metody.html

Додаток А

Рамка для визначення ступеня покриття лишайників.

Додаток Б

Визначення пробних ділянок

Додаток В

Оцінка частоти зустрічаємості і ступеня покриття по 5-бальній шкалі

Редакція може не поділяти думку авторів і не несе відповідальність за достовірність інформації. Будь-який передрук матеріалів з сайту може здійснюватись лише при наявності активного гіперпосилання на e-kolosok.org, а також на сам матеріал!