Лабораторная работа № 4

Биоиндикация состояния атмосферного воздуха

Биоиндикация - это метод обнаружения и оценки воздействия абиотических и биотических факторов на живые организмы при помощи биологических систем.

Обычно живые организмы в той или иной степени реагируют на изменения окружающей среды, но в ряде случаев это нельзя выя­вить физическими или химическими методами, т. к. разрешающие возможности приборов или химических анализов ограничены. Эти­ми методами может быть обнаружен, например, эффект биологи­ческого накопления отдельных токсических веществ в организмах растений и животных. Чувствительные же организмы-биоиндика­торы реагируют не только на малые дозы экологического фактора, но и дают адекватную реакцию на воздействие комплекса факто­ров, выявляя синергизм, эмерджентность, ингибирование.

Возможны следующие уровни биоиндикации, которые представ­лялось целесообразным использовать в подготовке практикума:

1) Биохимические и физиологические реакции (изменение раз­личных процессов и накопление определенных токсикантов в органах).

2) Анатомические, морфологические, биоритмические и пове­денческие реакции.

3) Флористические, фаунистические изменения.

Следующие три уровня (ценотический, биогеоценотический, ландшафтный) являются предметом более длительных полевых исследований.

Существуют два основных метода биоиндикации: пассивный и активный. В первом случае исследуют видимые или незаметные повреждения и отклонения от нормы, являющиеся признаками не­благоприятного воздействия, во втором используют ответную реак­цию наиболее чувствительных к данному фактору организмов (биотестирование). Это может быть как один фактор (сернистый газ), так и многокомпонентная смесь (выхлопные газы автотранспорта).

Биоиндикация может проводиться на уровне макромолекул, клетки, организма, популяции, сообщества и экосистемы. В прак­тикум включены работы только на первых четырех уровнях.

Существует биоиндикация специфическая (реакция только на один фактор) и неспецифическая (одна и та же реакция на многие факто­ры). Чувствительными биоиндикаторами могут служить как отдель­ные процессы в клетке и организме (изменение ферментативной активности, накопление аминокислоты пролина, изменения в пигмен­тном комплексе, накопление серы в листьях), так и морфологические изменения (изменения формы и размера листовой пластинки, появле­ние асимметрии, хлорозы и некрозы, уменьшение продолжительности жизни хвои, снижение линейного и радиального приростов).

В порядке возрастания толерантности к загрязнениям раститель­ные организмы располагаются в следующий ряд: грибы, лишайни­ки, хвойные, травянистые растения, листопадные деревья. Среди сельхозкультур наиболее чувствительны салат, люцерна, злаковые, крестоцветные, а к нечувствительным видам относят кукурузу, ви­ноград, розоцветные, подорожник (Рамад, 1981). Следует отметить, что указанные градации не являются одинаковыми для всех видов загрязнителей среды, т. к. их воздействие разное и выявление спе­цифических биоиндикаторов на тот или иной фактор придает само­му методу новый научный аспект, который дает возможность сделать его более точным и информативным.

Методы биоиндикации должны отвечать следующим требованиям: относительная быстрота проведения инди­кации, получение достаточно точных и воспроизводимых результатов, наличие, пригодных для индикации объектов в большом количестве.

Опыт 1. Определение состояния окружающей сре­ды по комплексу признаков у хвойных

Известно, что на загрязнение среды наиболее сильно реаги­руют хвойные древесные растения. Характерными признаками неблагополучия окружающей среды и особенно газового состава атмосферы служат появление разного рода хлорозов и некрозов, уменьшение размеров ряда органов (длины хвои, побегов теку­щего года и прошлых лет, их толщины, размера шишек, сокраще­ние величины и числа заложенных почек). Последнее является предпосылкой уменьшения ветвления. Ввиду меньшего роста побегов и хвои в длину в загрязненной зоне наблюдается сбли­женность расстояния между хвоинками (их больше на 10 см по­бега, чем в чистой зоне). Наблюдается утолщение самой хвои, уменьшается продолжительность ее жизни (1-3 года в загрязнен­ной зоне и 6-7 лет - в чистой). Влияние загрязнений вызывает также стерильность семян (уменьшение их всхожести). Все эти признаки не специфичны, однако в совокупности дают довольно объективную картину.

Хвойные удобны тем, что могут служить биоиндикаторами круг­логодично. В лесоведении давно разработана оценка состояния ок­ружающей среды по комплексу признаков у хвойных, при которой используются не только морфологические показатели, которые весь­ма изменчивы, но и ряд биохимических изменений.

Использование хвойных дает возможность проводить биоиндикацию на огромных территориях (например, оценивать влия­ние на окружающую среду таких гигантов сибирской индустрии, как Норильский и Братский комбинаты). Хвойные - основные ин­дикаторы, которые применялись для оценки состояния лесов Ев­ропы. Их использование также весьма информативно на малых территориях (например, влияние автодороги на прилегающую зону, если она примыкает к хвойному лесу; состояние окружающей сре­ды в городских экосистемах разного ранга и характера).

Оборудование и материалы

1) весы технохимические; 2) разновесы; 3) линейки; 4) измери­тельные и простые лупы с увеличением в 4-10 раз; 5) миллимет­ровка; 6) термостат; 7) ветви одного вида хвойных, произрастающего в городских посадках или в зоне влияния металлургических пред­приятий, ТЭС и др.; ветви, взятые в относительно чистой зоне заго­родных территорий.

Ход работы

По заданию преподавателя, за неделю до занятий, студенты или учащиеся срезают ветви условно одновозрастных хвойных деревьев, наиболее распространенных в данной местности (напри­мер, для городских условий обычны ель обыкновенная и ель го­лубая колючая). Ветви срезают на высоте 2 м с определенной части кроны, обращенной к зонам с загрязненным воздухом (вблизи автодорог, предприятий, особенно с выбросами в воздух сернистого газа, на который хвойные сильно реагируют). Конт­ролем служат ветви с условно одновозрастных деревьев, собран­ных в чистой зоне заповедника, зеленой зоне города или в посадках лесных культур.

1. Изучение хвои

А. Хвою осматривают при помощи лупы, выявляют и зарисовы­вают хлорозы, некрозы кончиков хвоинок и всей поверхности, их процент и характер (точки, крапчатость, пятнистость, мозаичность). Чаще всего повреждаются самые чувствительные молодые иглы. Цвет повреждений может быть самым разным: красновато-бурым, желто-коричневым, буровато-сизым и эти оттенки являются инфор­мативными качественными признаками.

Б. Измеряют длину хвои на побеге прошлого года, а также ее ширину (в середине хвоинки) при помощи измерительной лупы. Предварительно используя миллиметровку, устанавливают цену деления лупы. Повторность 10-20-кратная, так как биометричес­кие признаки довольно изменчивы.

В. Устанавливают продолжительность жизни хвои путем про­смотра побегов с хвоей по мутовкам (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Части ветви хвойного дерева, служащие биоиндикаторами: , , - осевые побеги первого, второго и третьего года; , , хвоя первого, второго и третьего года; В-