Конкурс для школьников «Химия настоящего и будущего»

VI Межрегиональный интернет-конкурс для школьников

«Химия настоящего и будущего»

Исследовательская работа

Тема: «Биотестирование субстратов

по проросткам кресс-салата»

Автор: Дебдин Вадим, МОУ «ООШ №165»,

МОУ ДОД ЦДОД «ЦЭКиТ»

Руководитель: Дебдина Маргарита Анатольевна,

педагог дополнительного образования ЦЭКиТ

г. Томск, 2012

Оглавление
Введение, цель, задачи……………………………………………………………………...3

Глава 1. Литературный обзор……………………………………………………………....4

1. 
   Что такое биоиндикация ………………………………………………………............4
   
2. 
   Виды биоиндикации …………………………………………………………………..6
   
3. 
   Методы биоиндикации ………………………………………………………………..7
   

Глава 2. Основная часть. Материалы и методы, порядок выполнения работы………...8

2.1. Определение уровня загрязнения почвы……………………………………………..8

2.2. Определение уровня загрязнения воды ……………………………………………..9

Глава 3. Результаты работы ………………….…………………………………………...12

Выводы……………………………………………………………………………………..13

Список источников………………………………………………………………………..14

Приложения………………………………………………………………………………..15

«Я утверждаю, что все рождающееся от земли

живет за счет земли и земной влаги, и в каком состоянии

находятся эта земля и влага, в таком состоянии

находится и растение»

Гиппократ

Ведение

Эти слова, сказанные Гиппократом еще в глубокой древности, не потеряли свою актуальность и сейчас. В своем исследовании мы решили выяснить, в каком же состоянии находятся почва, на которой мы выращиваем растения, и вода, которой мы эти растения поливаем. Ведь эти растения затем мы используем в пищу. Метод, который мы использовали в нашем исследовании - биоиндикация. Биоиндикационные методы позволяют без специального дорогостоящего оборудования, приборов и реактивов изучить состояние природных сред и объектов. Некоторые живые организмы очень чувствительны к изменениям окружающей среды и по их присутствию, количеству или особенностям развития можно судить об естественных процессах, условиях и антропогенных изменениях среды обитания. Такие организмы называются биоиндикаторами. (1)

Объектами биоиндикации в нашем исследовании являются почва и вода. Организм, с помощью которого мы будем судить о степени загрязнения почвы и воды, - овощное однолетнее растение кресс-салат лат. Lepidium sativum — быстрорастущее съедобное однолетнее или двулетнее травянистое растение семейства Капустные, или Крестоцветные (Brassicaceae).

Цель данной работы - оценить загрязнение опытных субстратов по проросткам растения-индикатора – кресс-салата.

Задачи:

1. 
   изучить различные информационные источники по данной теме;
   
2. 
   определить уровень загрязнения почвы различных участков;
   
3. 
   провести биотестирование разных водных источников.
   

Глава 1. Литературный обзор

1. 
   Что такое биоиндикация
   

О возможности использования живых организмов в качестве показателей определенных природных условий писали еще ученые Древнего Рима и Греции. В трудах М.В. Ломоносова и А.Н. Радищева есть упоминания о растениях-указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод.

По современным представлениям биоиндикаторы — организмы, присутствие, количество или особенности, развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Биоиндикация — метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов — биоиндикаторов. (4)

Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации. Ими могут быть как определенные типы природных объектов (почва, вода, воздух), так и различные свойства этих объектов (механический, химический состав и др.), и определенные процессы, протекающие в окружающей среде (эрозия, дефляция, заболачивание и т.п.), в том числе происходящие под влиянием человека. (7)

При выборе биоиндикаторов один из крупнейших американских экологов Ю.Одум предлагает учитывать следующие соображения:

1. Стенотопные виды (то есть виды, приспособленные к существованию в строго определенных условиях), более редкие в сообществах, как правило, являются лучшими индикаторами, нежели эвритопные (широко распространенные, обладающие широким диапазоном экологической выносливости).

2. Более крупные виды являются обычно лучшими индикаторами, чем мелкие, так как скорость оборота последних в биоценозах выше, и они могут не попасть в пробу в момент исследований (при наблюдениях с длительной периодичностью).

3. При выделении вида (или группы видов), используемого в качестве индикатора воздействия того или иного фактора, необходимо иметь полевые и экспериментальные сведения о лимитирующих значениях данного фактора с учетом возможных компенсаторных реакций организма и толерантности вида (группы видов).

4. Численное отношение разных видов (популяций или сообществ) более показательно и является более надежным индикатором, нежели численность одного вида («… целое лучшее, чем часть, отражает общую сумму условий»). (5)

2. 
   Виды биоиндикации
   

Биоиндикационные исследования подразделяются на два уровня: видовой и биоценотический. Видовой уровень включает в себя констатацию присутствия организма, учет частоты его встречаемости, изучение его анатомо-морфологических, физиолого-биохимических свойств. При биоценотическом мониторинге учитываются различные показатели разнообразия видов, продуктивность данного сообщества.

Существуют различные виды биоиндикации. Если одна и та же реакция вызывается различными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации. Например, лишайники и хвойные деревья могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произрастания. Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численности видов в них могут свидетельствовать о загрязнении почв химическими веществами или изменении структуры почв под влиянием хозяйственной деятельности. (8)

3. 
   Методы биоиндикации
   

Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100-300 ПДК). В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Регистрирующие индикаторы реагируют на изменения состояния окружающей среды изменением численности, фенооблика, повреждением тканей, соматическими проявлениями (в том числе уродливостью), изменением скорости роста и другими хорошо заметными признаками. В качестве примера регистрирующих биоиндикаторов не всегда возможно установить причины изменений, то есть факторы, определявшие численность, распространение, конечный облик или форму биоиндикатора. Это один из основных недостатков биоиндикации, поскольку наблюдаемый эффект может порождаться разными причинами или их комплексом. (6)

Накапливающие индикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды при помощи химического анализа. Примером подобных индикаторов могут служить хитиновые панцири ракообразных и личинок насекомых, обитающих в воде, мозг, почки, селезенка, печень млекопитающих, раковины моллюсков, мхи.

Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором». Правда, у живых приборов есть серьезный недостаток — они не могут установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ. В то же время физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии. С помощью биоиндикаторов можно получить информацию о биологических последствиях и сделать только косвенные выводы об особенностях самого фактора. (3)

Мониторинг с применением накапливающих биоиндикаторов зачастую требует применения сложных и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоемких методик, что под силу только специальным лабораториям. Но в основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования, а поэтому могут широко использоваться в школьном экомониторинге.

Методы биоиндикации, позволяющие изучать влияние техногенных загрязнителей на растительные и животные организмы на неживую природу являются наиболее доступными (1,2). Биоиндикация основана на тесной взаимосвязи живых организмов с условиями среды, в которой они обитают. Изменения этих условий, например повышение солености или рН воды может привести к исчезновению определенных видов организмов, наиболее чувствительных к этим показателям и появлению других, для которых такая среда будет оптимальной. (2)

Существуют разные биологические индикаторы. О наличии некоторых загрязнителей можно судить по внешним признакам растений и животных (2). Благодаря «памяти» этих организмов, можно узнать и о роли тех факторов, которые в настоящее время уже не действуют. Например, появление черных пятен на листьях липы рассказывает о том, что в зимнее время дворники чрезмерно увлекались посыпанием снега солью для ускорения его таяния, о выбросах сернистого газа расскажут пятна на листьях подорожника большого. По ширине годичных колец сосен в окрестностях химического предприятия можно определить, в какие годы завод особенно сильно загрязнял среду. В годы сильного загрязнения атмосферы закладываются более тонкие кольца. По высоте некоторых растений можно судить о концентрации солей в воде. Так, например, тростник может достигать высоты 4 м, но если содержание солей в воде высокое — это растение не вырастет более чем на 0,5 м. Индикаторами загрязнения атмосферы являются некоторые мхи и лишайники. Например, при анализе лишайников в Швеции было установлено появление радиоактивной пыли от Чернобыльской АЭС. Существуют специальные живые приборы — бриометры — маленькие коробочки со мхами определенных видов, по которым определяют режим задымления атмосферы. (9)

Глава 2. Основная часть. Материалы и методы, порядок выполнения работы

Исследования проводились по методикам, предложенным А.И. Федоровой и А.Н. Никольской в «Практикуме по экологии и охране окружающей среды», 2003, а также в учебном пособии для вузов «Экологический мониторинг» под редакцией Т.Я. Ашихминой, 2005.

Согласно вышеуказанным методикам оценка субстратов проводится в следующих вариантах:

• 
  Выращивание кресс-салата на субстратах, токсичность которых надо оценить (почва).
  
• 
  Полив проростков опытного растения водой, взятой из различных источников.
  

Признаки, по которым было произведено биотестирование почвы:

• 
  Всхожесть семян;
  
• 
  Ежедневный прирост побегов;
  
• 
  Длина побегов.
  

Данные приведены в таблице 1.

Признаки, по которым было произведено биотестирование воды:

• 
  Длина побегов;
  
• 
  Длина главного корня;
  
• 
  Количество листьев на побеге;
  

Данные приведены в таблице 2.

2.1. Определение уровня загрязнения почвы

Для проведения опыта были взяты образцы почв с 5 участков ЗАТО г.Зеленогорск:

1. 
   почва с дачного участка в пос. Орловка;
   
2. 
   почва у дороги Октябрьского шоссе;
   
3. 
   почва с клубы в центре города;
   
4. 
   почва с клумбы ЦЭКиТ;
   
5. 
   почва дачного участка садоводства №2.
   

Полив во всех повторностях производился отстоянной водопроводной водой. Когда ростки достигают 6-10 см, производят их измерение.

Таблица 1. Признаки биотестирования почвы

№ опыта	Всхожесть семян (%)					Ежедневный прирост (см)					Длина побегов (см)
№ участка	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
1 повторность	99	29	60	83	80	0,4	0	0,1	0,4	0,7	7,6	3	4	4,0	5,7
2 повторность	97	40	69	78	88	0,7	0,3	0,4	0,2	0,4	7,1	1	2	4,3	5,0
3 повторность	98	32	67	81	84	0,6	0,2	0,5	0,6	0,4	7,4	2	3	4,2	5,2
Среднее значение	98	34	66	80	86	0,6	0,2	0,3	0,4	0,5	7,3	2	3	4,2	5,3

В ходе исследования изучалась скорость роста побегов салата, рассчитывался % всхожести семян, средняя длина побегов и средний прирост за сутки. На сновании этих данных рассчитывался уровень загрязнения почв. Было определено, что наибольший % всхожести 98% на 1участке, 34% - на 2 участке, 66% - на 3 участке, 80% - на 4 участке, 86% - на 5 участке.

Средняя длина побегов была наибольшая на 1 участке - 7,3 см, далее 2 участок – 2,1 см, 3 участок - 3 см, 4 участок – 4,2 см, 5 участок – 5,3 см.

Самая большая скорость роста (ежедневный прирост) за сутки был отмечен у растений 1 участка – 0,6 см, наименьшая – 0,2 см - у растений 2 участка.

Принимали следующую градацию (Федорова А.И., Никольская А.Н., 2000) :

100% - нет токсичности;

80-90% - очень слабая токсичность;

60-80% - слабая,

40-60% - средняя;

20-40% - высокая токсичность;

0-20% - очень высокая токсичность

Согласно методике, были определены уровни загрязнения почв:

1 участок – загрязнение отсутствует,

2 участок – сильное загрязнение,

3, 4, 5 участки – слабое загрязнение.

2.2. Наблюдения за проростками кресс-салата, поливаемых водой, взятых из различных источников

Для проведения опыта использовалась следующая схема:

1 проба – водопроводная вода из города;

2 проба – водопроводная вода пос. Орловка;

3 проба – вода из родника пос. Сокаревка;

4 проба - вода, взятая из родника пос. Усовка;

Растения сравнивались по следующим показателям:

• 
  длина главного корня, длина побега,
  
• 
  среднее количество листьев и их длина,
  
• 
  масса корневой системы и наземной части растений.
  

Почва была одинаковой во всех повторностях. Когда ростки достигают 6-10 см, производят их измерение.
Таблица 2. Признаки биотестирования воды

№ опыта	Длина побега (см)				Количество листьев на побеге				Длина главного корня (см)
№ участка	1	2	3	4	1	2	3	4	1	2	3	4
1 повторность	6	8	5	6	7	6	2	3	5	9	3	6
2 повторность	8	7	3	4	4	5	4	3	4	6	4	4
3 повторность	7	9	4	5	4	6	3	3	3	6	3	3
Среднее значение	6	8	4	5	5	6	3	3	4	7	3	4

Растения кресс-салата, полив которых производился водопроводной водой взятой пос. Орловка (проба №2), заметно отличаются от растений других участков (проба №1,2,3). У этих растений сильнее развита (по массе и длине) корневая система и наземная часть, у них больше листьев на побеге и они длиннее, чем у других опытных растений. Заметно отстают растения, поливаемые водой Сокаревского родника (проба №3). Среднее положение по всем показателям, кроме длины главного корня (здесь она оказалась наибольшей), занимает кресс-салат, поливаемый водой родника пос. Усовка, а растения, поливаемые водопроводной водой из города (проба №1), дали самые средние показатели.

Учитывая вышеописанную реакцию кресс-салата на полив водой из разных источников, можно предположить, что из четырех используемых проб наиболее загрязненной оказалась вода Сокаревского родника.

Глава 3. Результаты работы

В ходе исследования были получены следующие результаты. Опытное растение является регистрирующим биоиндикатором, так как реагируют на изменения состояния окружающей среды изменением фенооблика, изменением скорости роста, всхожестью и другими хорошо заметными признаками. (5)

Как накапливающий индикатор, кресс-салат концентрирует загрязняющие вещества в своих тканях и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды. (4)

В результате проведенного эксперимента без специального дорогостоящего оборудования, приборов и реактивов были установлены уровни загрязнения почвы и воды.

Выводы:

1. 
   Изучив литературу, и в ходе исследования выяснили, что опытное растение кресс-салат является регистрирующим биоиндикатором, реагируя на изменения состояния окружающей среды изменением фенооблика, изменением скорости роста, всхожестью и другими хорошо заметными признаками.
   
2. 
   Используя метод биоиндикации, определили, что наиболее загрязнена почва у дороги Октябрьского шоссе, отсутствуют загрязнения в почве дачного участка поселка Орловка, слабо загрязнены участки в центре города, в садоводстве №2 и районе ЦЭКиТ.
   
3. 
   Используя наблюдения за проростками кресс-салата, поливаемых водой, взятых из различных источников, выяснили, что наиболее загрязненной оказалась вода из Сокаревского источника, менее всего загрязнена вода в поселке Орловка.
   

Список источников

1. 
   Алексеенко, В,А. Жизнедеятельность и биосфера./ В.А. Алексеенко. - М.:
   Логос, 2005. - 240с.
   
2. 
   Артемьев, А.В. Сравнительный анализ Антропогенного загрязнения снежного
   покрова и гидросферы урбанизированных ландшафтов./А.В. Артемьев, Е.Ю
   Выговская, О.Е. Жукова // Экология и промышленность России. 1999.№4.С.32-
   35.
   
3. 
   Идемечев В.Ф. Состояние окружающей среды в Красноярском крае в 1994 году.
   Доклад Красноярского краевого комитета по охране природы/ В.Ф Идемечев,
   В.В Магдилиной, Т.Ф. Шевченко./ Красноярск ,1995.
   
4. 
   Ильинских, И.Н. Использование различных методов биотестирования для
   мониторинга экологии города./ Е.Н. Ильинских // Б.В. Смирнов, А.Н. Юркин,
   Н.Н. Ильинских/Проблема экологии и развитие городов: Материалы научно
   практической конференции. 2000.С.86-87.
   
5. 
   Никаноров, A.M. Экология для студентов вузов и специалистов экологов/А.М.
   Никаноров, ТА. Хоружая,- Экология. - М.: «издательство ПРИОР», 1999.-304 с.
   
6. 
   Новаковский, Б.А. Оценка загрязнения снежного покрова г. Балаково/Б.А.
   Новаковский, В.З. Макаров, И.В. Пролеткин, А.Н. Чумаченко// Экология и
   промышленность России, 1999. №12; С. 4-8
   
7. 
   Федоров, А. Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учебное
   пособие для студ. высш. уч. заведений./ А.Н. Федоров, А.Н. Никольская. - М.:
   Гуманит.. изд. центр Владос. 2001.- 288 с.
   
8. 
   Экология: Лабораторный практикум для учащихся школ и студентов вузов,
   проводимый на базе учебной экологической лаборатории, разработанный на
   кафедре экологии Красноярского государственного университета/ Сост. Ю.С.
   Григорьев, И.К.Григорьева; Красноярский государственный университет,
   Красноярск, 1997. 30с.
   
9. 
   http://www.priroda-online.ru/gazeta/ doc2790.html.