Изучение загрязнения воздуха в микрорайоне школы по состоянию сосны обыкновенной

МБОУЛ «Воронежский учебно-воспитательный комплекс

 имени А.П. Киселёва»

Научное  общество учащихся

 

 

 

 

 

«Изучение загрязнения воздуха в микрорайоне школы  по состоянию сосны обыкновенной»

 

 

 

 

 

 

 

Авторы: Олянина Ирина,

Щекунских Екатерина,

ученицы 8 класса

МБОУЛ «ВУВК имени А.П. Киселёва»

Научный руководитель:

Пономарева Елена Васильевна

учитель географии

 

 

Воронеж 2013

 

 

Оглавление

 

 

Введение                                                                                            3                                                                                         

 

Глава 1. «Состояние вопроса»                                                         5

 

Глава 2. «Методика исследования»                                                11                                        

 

Глава 3. «Результаты исследований»                                             12      

 

Заключение                                                                                        14                                                                   

 

Список литературы                                                                           15                                                                          

 

Приложение                                                                                       16                                                                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Природная среда под влиянием деятельности человека претерпевает большие изменения. Растения, чутко реагируют на состояние природной среды, являются важным элементом биологического мониторинга. Поэтому исследователи рассматривают растения как наиболее чувствительные и надёжные индикаторы загрязнённости атмосферы. Отрицательно воздействуют на растения выбросы: окислы серы, частицы тяжёлых металлов, соединения фтора, фотохимическое загрязнение, углеводороды, окись углерода, содержащаяся в выхлопных газах автомобилей (Загрязнение воздуха и жизнь растений, 1988). Растения рано стареют, редеет и уродуется их крона, преждевременно желтеют и опадают листья и хвоя. Индикатором загрязнённости атмосферы может служить сосна обыкновенная. К примеру, в нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3-4 года, а поблизости от источников загрязнения атмосферы – значительно раньше. Особенно чутко реагирует сосна на загрязнения сернистым газом. Под влиянием токсиканта хвоя сосны в зонах сильного загрязнения приобретает тѐмно-красную окраску, затем отмирает и опадает, просуществовав всего год.

Цель работы: выявить влияние атмосферного загрязнения на морфологические признаки и состояние генеративных органов сосны обыкновенной.

Задачи:

Задачи:

-изучить научную литературу  по данной теме;

-отобрать и изучить  методики исследования;

-определение состояния  хвои сосны обыкновенной для оценки загрязнённости атмосферы;

-на основе полученных  результатов сформировать выводы  о состояние атмосферного воздуха  в микрорайоне школы.

Исследования проводились на трёх ключевых участках: участок №1 – в 200 метрах от школы по улице Героев Сибиряков, участок №2 – территория парка «Танаис» за спорткомплексом «Звёздный» в районе остановки Комарова, участок №3 – парк «Оптимистов» в районе остановки «Перхоровича».

Сроки проведения: сентябрь – ноябрь 2012 года.

Объект исследования: хвоя сосны обыкновенной.

Гипотеза: наиболее загрязнённый воздух по улице Героев Сибиряков (участок №1). 

Актуальность: Основные источники загрязнения атмосферы в городах – автотранспорт и промышленные предприятия. Физическое и химическое загрязнение окружающей среды влияет на состояние сосны обыкновенной, характеризующейся высокой чувствительностью к действию загрязнителей. Используя метод визуальной и количественной оценки, можно определить уровень загрязнения атмосферы в микрорайоне школы.

Этапы исследования

1 этап. Выбор объекта исследования.

2 этап. Сформулировать цель исследования.

3 этап. Выдвинуть гипотезу исследования.

4 этап. Сформулировать задачи исследования.

5 этап. Изучение и анализ литературы.

6 этап. Отбор и изучение методик методы исследования.

7 этап. Проведение экспериментов, систематизация работы, анализ результатов.

8 этап. Оформление результатов исследования.

Методы исследования: теоретические (абстрагирование, анализ и синтез, от абстрактному к конкретному); эмпирические (наблюдение, сравнение, эксперимент); математические (статистические, диаграммы, таблицы); исследовательские: проведение эксперимента.

  Загрязнение окружающей среды  является острой экологической  проблемой, особенно в городских  и промышленных районах. Воздействие  токсикантов приводит к значительному ухудшению состояния, и даже гибели лесов на обширных территориях. Поэтому актуальной задачей является поиск объективных и достаточно простых в исполнении методов ранней диагностики техногенного загрязнения природной среды. Симптомы острого повреждения растений токсическими газами высоких концентраций достаточно хорошо изучены. Значительно сложнее определить повреждающее действие воздушных токсикантов на том уровне, когда изменения ещё обратимы. Древесные растения в настоящее время широко применяются в биоиндикационных исследованиях качества воздуха. Выбор представителей семейства сосновых (Pinaceae) в качестве объекта исследований обусловлен их широкой распространённостью, хозяйственной значимостью и возможностью круглогодичного использования.

  Представленная работа основана на биоиндикационных исследованиях загрязнения атмосферы с помощью хвойных деревьев. Результаты исследования могут быть использованы при проведении работ по оценке состояния древостоя хвойных, для создания системы ранней диагностики изменений состояния растительного покрова в результате воздействия техногенного загрязнения атмосферы, а также возможно включение разработанных методов в общую схему экологического мониторинга урбанизированных территорий.

 

 

 

Глава 1. «Состояние вопроса»

  Бурный рост промышленности и автотранспорта ведет к значительному загрязнению природной среды, в первую очередь атмосферы. Так как эволюция растительности совершалась в условиях достаточно чистого атмосферного воздуха, современные виды растений, в том числе хвойные, не обладают специфической приспособленностью к действию токсичных газов. Вредное влияние загрязненного воздуха на растения происходит как путем прямого действия газов на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного влияния через почву. Причем прямое действие кислых газов приводит к отмиранию отдельных органов растений, ухудшению их роста и урожайности. Трудно дать полную характеристику всех вредных примесей, так как их количество и удельный вес в загрязненном воздухе быстро изменяются, в результате взаимодействия веществ образуются новые соединения, нередко даже более токсичные, чем исходные компоненты (Николаевский, 1979).

  Вещества, выбрасываемые в атмосферу, по величине частиц, электромагнитному спектру и скорости оседания в воздухе под влиянием силы тяжести можно условно разделить на пыль (диаметр частиц от 0,5 до 2000 мкм, спектр в инфракрасной области от 420 до 0,7 мкм, скорость оседания близка или соответствует закону Стокса); пары и туманы (диаметр частиц от 0,03 до 100 мкм, спектр в видимой области, скорость оседания меньше, чем у пыли); дым (размер частиц от 0,01 до 1 мкм, спектр в ультрафиолетовой области, скорость движения частиц в результате броуновского движения превышает скорость оседания). В состав пыли могут входить литейный песок, удобрения, пылевидный уголь, цемент, летучая зола, частицы почвы. Кроме того, она содержит разнообразные соединения, образующиеся при переработке и сжигании сырья как кислого, так и щелочного характера, а также различные соли, сажу и т. п. В составе паров и туманов возможны различные испарения: туман кислот, пары окислов цинка, хлористого аммония, сернистого газа и т. д. В состав дыма входит нефтяной, смоляной, углеродный дым и газы (Николаевский, 1979). По химическому составу (с учетом токсического действия на растения) вещества можно разделить на: кислые газы, обладающие наибольшей токсичностью для растений (фтор, хлор, сернистый и серный газы, оксиды азота, угарный газ, оксиды фосфора, сероводород); пары кислот (соляной, азотной, хлорной, фосфорной, серной и органических, туман серной и соляной кислот); оксиды металлов (свинца, мышьяка, селена, цинка, магния и других); щелочные газы (аммиак); пары металлов (ртуть); различные органические газы и канцерогенные вещества (предельные и непредельные углеводороды, фенол, четыреххлористый углерод, сероуглерод и др.).

   Характер действия различных кислых газов и паров кислот, по-видимому, сходен и заключается в нарушении физиолого-биохимических процессов в результате подкисления протоплазмы клетки. Последнее ведет к прекращению фотосинтеза, усилению деятельности окислительных процессов. Пары кислот часто вызывают появление ожогов на поверхности листьев. Аммиак, как и кислые газы, проникает в мезофилл, и повреждающее действие его связано, вероятно, с подщелачиванием клеточной среды и нарушением транспорта электронов. Значительной фитотоксичностью обладают канцерогенные вещества, но характер их действия на растения изучен слабо. Пыль нарушает температурный и водный режим растений, поглощение световой энергии и газообмен. Кроме того, растворимые соединения в составе пыли зачастую проникают в клетки вместе с влагой и вызывают нарушения, сходные с действием газов или солей. Воздушная среда вокруг многих промышленных предприятий, в том числе алюминиевых заводов, характеризуется наличием комплекса загрязнителей, действующих одновременно. В таких условиях можно ожидать изменения фитотоксической активности выбросов в сторону ее усиления или ослабления. Обычно выделяют четыре типа воздействия смесей токсикантов: суммацию (аддитивный эффект), синергизм, доминирование и антагонизм (Рожков, Михайлова, 1989). Суммацией называют те случаи, когда величина повреждения от смеси токсикантов соответствует сумме повреждений, вызываемых каждым веществом в отдельности; при синергизме конечное повреждение больше, чем сумма отдельных повреждений; при антагонизме растение получает меньшее повреждение от всех веществ, чем от каждого в отдельности. Доминирование какого-либо токсиканта проявляется в том, что при воздействии смеси, его содержащей, величина повреждения остается такой же, как и при одиночном влиянии этого токсиканта. Проявление того или иного типа воздействия смеси токсикантов на растительный организм во многом зависит от их концентрации, продолжительности и порядка действия, а также от физико-географических условий. Синергизм чаще наблюдается при действии смесей токсикантов высоких концентраций. При низком содержании в атмосфере кислых газов возможны эффекты суммации или доминирования. Комбинации загрязнителей, приводящие к ослаблению их повреждающего действия, крайне редки, например, в случае одновременного присутствия в атмосфере кислых и щелочных газов, окислителей и восстановителей. Все вышеизложенное подтверждает необходимость развития методов, позволяющих адекватно оценивать степень повреждения растений всем комплексом токсических веществ.

  Предприятия черной и цветной металлургии, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и химической промышленности, теплоэлектростанции, автотранспорт относятся к основным источникам выбросов кислых газов в атмосферу. Среди последних двуокись серы, сероводород, окислы азота, хлор, фтористый водород выделяются как наиболее сильные токсиканты для растительных организмов. При воздействии различных доз токсикантов на растения можно выделить четыре типа повреждений, отличающихся по характеру и глубине расстройства метаболизма: острое, капельно-ожоговое, кумулятивное и скрытое. Острые повреждения вызываются воздействием высоких концентраций загрязнителей. Поражение развивается в течение нескольких часов (дней) и проявляется в виде хлороза с последующим некрозом тканей хвои или всего побега. У лиственницы пораженная хвоя быстро высыхает и опадает. Восстановление ее происходит за счет пробуждения почек будущего года на брахибластах. Зачатки хвои будущего года у этой породы развиваются на конусе нарастания брахибласта одновременно с хвоей текущего года, и в случае утраты последней вторичная хвоя отрастает в то же лето. У ели при остром поражении хвоя опадает также относительно быстро, тогда как у сосны сохраняется на ветвях в течение длительного времени. В том случае, когда при повреждении хвои двухлетние побеги сосны сохраняют жизнеспособность, в их вершинной части из спящих почек развиваются плотно сидящие группы коротких ауксибластов. Хвоя на них имеет вид обособленных пучков (Рожков, Михайлова, 1989). Кислый газ, поступая в клетку через устьица или кутикулу, в значительных количествах накапливается в хлоропластах и приводит к подавлению фотосинтеза.   Капельно-ожоговые повреждения в отличие от острого поражения, охватывающего всю хвоинку и возникающего по всей кроне или большей ее части, проявляются в виде некрозных точек и более крупных пятен, перепоясывающих хвоинку и постепенно расширяющихся и чаще всего образуются при высокой влажности воздуха (Рожков, Михайлова, 1989). В подавляющем большинстве случаев на упругих хвоинках с сильно развитой кутикулой послеожоговый некроз начинается в апикальной части, затем распространяется к основанию. Кумулятивное повреждение развивается при длительном действии низких концентраций токсикантов. Для этого типа повреждений характерно стойкое нарушение основных метаболических процессов, внешне выражающееся в уменьшении размеров и массы хвои, преждевременном их опадении, изреженности и суховершинности крон деревьев, депрессии роста, раннем старении. Кумулятивное повреждение со временем приводит к избыточному накоплению токсикантов в ассимиляционных органах и появлению некрозов. Вышеперечисленные типы повреждений определяются визуально или с помощью морфометрического анализа. Скрытые повреждения вызываются очень низкими концентрациями токсикантов, действующими постоянно или периодически. К таким повреждениям относятся нарушения физиолого- биохимических процессов (увеличение проницаемости мембран, изменение активности ряда ферментов, ингибирование фотосинтеза и т. д.). Накопление скрытых повреждений приводит к снижению роста и продуктивности растений, потере резистентности к климатическим факторам, патогенным микроорганизмам и насекомым. Латентные повреждения обратимы, они не ведут к стойкому расстройству метаболизма, и после прекращения действия загрязнителя нормальная жизнедеятельность растений восстанавливается. Основной путь поступления загрязняющих веществ в растение - поглощение их в процессе газообмена через устьица, а также через клетки эпидермиса листьев и неодревесневших побегов. Поглощенные токсиканты растворяются в пленочной воде на поверхности листьев, и образующиеся ионы проникают через кутикулу к клеткам эпидермиса. Далее они мигрируют по свободному пространству к соседним клеткам мезофилла и проводящим сосудам, по которым разносятся в другие клетки и органы. При проникновении токсического вещества в клетку защитная реакция направлена прежде всего, на его детоксикацию или изолирование. Наиболее распространенными механизмами детоксикации являются нейтрализация посредством синтеза ионов противоположного знака, вовлечение в реакции с участием ферментов, образование коньюгатов. Другой путь уменьшения вредного влияния токсического вещества - выведение его из организма во внешнюю среду, например, путем десорбции листьями, вымывания осадками, выделения корнями, а также при дефолиации и с транспирационной водой. Кроме того, существует возможность снижения активности токсикантов путем их консервации в мертвых или слабо функционирующих тканях.

  Более низкая устойчивость хвойных к кислым токсикантам по сравнению с лиственными породами в наибольшей степени выражена по отношению к фтору. Фитотоксичность его определяется сочетанием ожогового воздействия с отравлением в результате накопления в органах и тканях. Повышенная чувствительность хвойных к фтористому водороду связана с длительным сроком жизни хвои и поглощения газа, вследствие чего развивается обширное повреждение кроны, сокращается ассимиляционная поверхность. Кроме того, высокая чувствительность зимне-зеленых хвойных определяется относительно слабым развитием запасающих тканей и соответственно недостаточным накоплением резервных веществ, а также невысокой регенеративной способностью. Из числа признаков повреждения хвойных чаще всего отмечаются, сокращение продолжительности жизни хвои, ее массы (опадение, ожог, уменьшение длины) и, как следствие, значительную изреженность крон, падение линейного и радиального прироста (Николаевский,1979). Под действием задымления сокращается плодоношение хвойных пород, уменьшается размер шишек и семян, резко снижается их всхожесть. Процесс ослабления, развития болезни и отмирания дерева протекает у разных видов хвойных по-разному. Лиственница раньше других реагирует на повреждающее действие фтора. Однако она быстро адаптируется, соответственно перестраивает метаболизм и может оказывать длительное сопротивление даже сильному воздействию токсиканта. У ели позднее, чем у других хвойных, появляются внешние признаки повреждения (хлороз и некроз хвои), медленнее происходит и физиологическое ослабление. В то же время эта порода характеризуется наименьшей продолжительностью периода от необратимого ослабления деревьев до их полного усыхания. У сосны степень внешнего повреждения соответствует физиологическому состоянию дерева, а период усыхания может быть продолжительным (Рожков, Михайлова, 1989).

  Наибольшее количество фтора в хвое сосны накапливается в зимние месяцы. К началу вегетационного периода оно понижается и минимально в мае-июле, а к концу вегетации вновь возрастает (Рожков, Михайлова, 1989). Подобная динамика накопления фтора объясняется прежде всего, особенностями сезонных физиологических изменений в растении. На фоне прекращения ростовых процессов и относительной стабилизации содержания сухого вещества хвои в зимний период сохраняющийся (хотя и очень слабый) газообмен способствует накоплению в ней токсиканта. В весенние и летние месяцы при качественном изменении метаболизма происходит отток фтора из хвои с метаболитами в ткани ствола и корней, некоторая часть его выводится с транспирационной водой, а также вымывается дождями. Отрицательное действие фторидов на фотосинтетический аппарат растений связано с ингибированием ранних стадий синтеза пигментов, распадом хлорофилла и каратиноидов, а также с деструкцией хлоропластов. При воздействии малых концентраций фтора у лиственницы содержание хлорофилла чуть выше контроля (по-видимому, это следствие защитной реакции дерева на действие фактора, понижающего его фотосинтетическую активность). Заметное падение концентрации хлорофилла происходит при повреждении 10% кроны, а при дальнейшем увеличении количества некротизированной хвои у деревьев содержание пигментов в остальной хвое почти не изменяется и составляет около 75% от контроля. У сосны первоначальное действие фтористого водорода приводит к заметному увеличению количества зеленых пигментов. При повреждении 10% хвои уменьшение содержания хлорофилла было незначительным, и лишь у сильно поврежденных деревьев оставшаяся хвоя содержит пигментов на 30% меньше, чем в контроле. Первоначальной реакцией ели на действие фтороводорода является небольшое снижение содержания зеленых пигментов, а при последующем распространении повреждения в кроне оставшаяся хвоя по уровню пигментов практически не отличается от контрольной (Рожков, Михайлова, 1989).