Биосфера Земли в настоящее время подвергается все нарастающему антропогенному воздействию. Наибольшую долю в этом воздействии занимает химическое загрязнения среды несвойственными ей веществами, имеющее отношение ко всем регионам планеты – на земном шаре сегодня невозможно найти место, где бы ни присутствовали в той или иной концентрации загрязняющие вещества.
В основу методики, используемой при выполнении данной исследовательской работы, положена теория «стабильности развития» («морфогенетического гомеостаза»), разработанная российскими учеными А.В.Яблоковым, В.М.Захаровым и др. в процессе исследований последствий радиоактивного заражения, в том числе после Чернобыльской аварии. Эти ученые доказали, что стрессирующие воздействия различного типа вызывают в живых организмах изменения гомеостаза (стабильности) развития, которые могут быть оценены по нарушению морфогенетических процессов.
Главными показателями изменений гомеостаза морфогенетических процессов являются показатели флуктуирующей асимметрии - ненаправленных различий между правой и левой сторонами различных морфологических структур, в норме обладающих билатеральной симметрией. Такие различия обычно являются результатом ошибок в ходе развития организма. При нормальных условиях их уровень минимален, возрастая при любом стрессирующем воздействии, что и приводит к увеличению асимметрии.
Особенностью стабильности развития является то, что она в большой степени зависит от общей генетической перестройки организма, что особенно важно при оценке последствий любого воздействия.
Оценка флуктуирующей асимметрии билатеральных организмов хорошо зарекомендовала себя при определении общего уровня антропогенного воздействия. Традиционные методы, оценивающие химические и физические показатели, не дают комплексного представления о воздействии на биологическую систему, тогда как биоиндикационные показатели отражают реакцию организма на всё многообразие действующих на него факторов, имея при этом биологический смысл.
Оптимальным объектом биоиндикации антропогенных воздействий данным методом являются растения.
Растения же, как продуценты экосистемы, в течение всей своей жизни привязаны к локальной территории и подвержены влиянию почвенной и воздушной сред, наиболее полно отражающих весь комплекс стрессирующих воздействий на экосистему.
Оборудование: циркуль-измеритель и линейка, транспортир, бланки для записей результатов измерений и счетное оборудование (калькулятор или компьютер).
Объект исследования: листья березы повислой.
Предмет исследования: наличие ассиметрии половинок листа.
Цель исследования – выявить зависимость антропогенной нагрузки на жизненное состояние леса по берёзе, предложить систему мер, направленных на снижение этого уровня.
Задачи исследования:
1) Выбор площадок.
2) Техника отбора проб.
3) Проведения измерений листьев на примере березы повислой и расчета асимметрии.
4) Оценка и интерпретация данных, представление результатов исследования.
5) Создать «банк» информации исследуемой территории.
6) Оказать посильную помощь в создании устойчивых ландшафтов на исследованной территории.
Гипотеза - если концентрация вредных веществ, источником которых являются промышленные предприятия увеличится, то жизненного состояния леса ухудшится.
Методика исследования взята из методического пособия А.С. Боголюбов, Ю.А.Буйволов, М.В.Кравченко «Экосистема», 2002год.
Основная часть
Сущность метода биоиндикации
Метод биоиндикации, в основе которого лежат реакции организмов на воздействие всего многообразия факторов окружающей среды, можно использовать в случаях, когда нет возможности проводить комплексные научные исследования, требующие больших материальных затрат и специального оборудования. В качестве биоиндикаторов могут быть использованы животные, растения, микроорганизмы, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться при их оценке. Преимущества биоиндикаторов состоит в том, что они суммируют все биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом; устраняют трудную задачу применения дорогостоящих методов исследования; указывают пути и места скопления в экосистемах различного рода загрязнений; позволяют судить о степени вредности воздействий для живой природы.
О возможности использования живых организмов в качестве показателей определённых природных условий писали ещё учёные Древнего Рима и Греции. В трудах М.В. Ломоносова и А.Н. Радищева есть упоминания о растениях-индикаторах – указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод. В настоящее время для целого класса индикаторных видов растений и животных разработаны шкалы воздействий, которые позволяют выявить разные степени влияния на окружающую природную среду, регистрируемые с помощью этих видов (нет воздействия - слабое - среднее - сильное). Наличие шкалы экологического фактора позволяет намного более верно оценивать исследуемую территорию. Существуют два основных метода биоиндикации: пассивный и активный.
Пассивный метод - это исследования видимых и незаметных повреждений и отклонений от нормы реакции.
Пассивный метод включает следующие исследования:
- Определение площади листьев
- Определение асимметрии листьев
- Уменьшение содержания хлорофилла в листьях растений
- Определение влажности листьев и их тургорного состояния
- Накопление серы в листьях и коре древесных растений
- Изменение цвета пигментов различных цветковых растений
Активный метод - это изучение ответной реакции наиболее чувствительного фактора организма (биотестирование).
Методы биоиндикации должны отвечать следующим требованиям:
- Относительная быстрота проведения индикации
- Получения достаточных точных и воспроизводимых результатов
- Наличие пригодных для индикации объектов в большом количестве.
Оптимальным объектом биоиндикации антропогенных воздействий данным методом являются растения. Животные, особенно высшие, подходят для биоиндикации подобного рода в меньшей степени. Во-первых, они намного сложнее организованы и стабильность их развития зависти от большего числа факторов. Во-вторых, они находятся на более высоких ступенях пищевой пирамиды и менее подвержены загрязнению почвенной и воздушной сред. Наконец, животные подвижны и в меньшей степени связаны с конкретным участком территории.
Растения как биоиндикаторы состояния окружающей среды
Растения, как продуценты экосистемы, в течение всей жизни привязанные к локальной территории и подверженные влиянию двух сред: почвенной и воздушной, наиболее полно отражают весь спектр стрессирующих воздействий на систему. Наиболее чувствительными из высших растений к атмосферным изменениям, связанным с влиянием антропогенных факторов считаются древесные породы. Деревья обладают высокой экологической пластичностью, то есть способны выживать даже на сильно загрязненных участках, и широкой нормой реакции, но при этом листовая пластинка древесных растений реагирует на различные токсические примеси, которые присутствуют в окружающей среде, изменением симметрии, причем этот эффект более выражен у листьев сложной конфигурации, с большим периметром.
Лист - один из основных органов высших растений, выполняющий функции фотосинтеза, газообмена и транспирации. Листья многих растений обладают свойством симметричности относительно центральной жилки. Благодаря симметричности в листьях происходит равномерный процесс фотосинтеза и образования органических веществ. При нарушении симметрии листьев растение не в состоянии полноценно развиваться, в результате чего происходит их изменение или отмирание. Известно, что большинство организмов стремится к билатеральной, то есть двусторонней симметрии. Симметричные организмы в своём развитии более стабильны, поскольку не испытывали каких-либо стрессовых воздействий, а асимметричные – напротив, развивались в какой-то стрессовой ситуации.
Метод флуктуирующей асимметрии
В основу методики, используемой при выполнении данной исследовательской работы, положена теория «стабильности развития», разработанная российскими учеными А.В.Яблоковым, В.М.Захаровым, в процессе исследования последствий радиоактивного заражения, в том числе после Чернобыльской аварии. Она применима для оценки экологического состояния местности по интегральным характеристикам асимметрии листьев деревьев.
В основу методики положена теория о том, что различие между левой и правой половинами листа коррелирует со степенью общей нарушенности окружающей среды.
Флуктуация (от лат. fluctuatio — колебание) — термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение. Такие различия обычно являются результатом ошибок в ходе развития организма. При нормальных условиях их уровень минимален, возрастая при любом стрессирующем воздействии, что и приводит к увеличению асимметрии - чем больше показатель асимметричности, тем больше загрязнения воздуха в данном месте.
Исследования методом флуктуирующей асимметрии, т.е выявление различий между правой и левой сторонами различных морфологических структур, в норме обладающих двусторонней симметрией, можно проводить на любых объектах – будь то животные или растения. Однако, чем проще устроен организм и чем он крупнее, тем проще проводить измерения. Исходя из этого, удобным для организации подобных исследований модельным объектом, являются листья листопадных деревьев, поэтому мы выбрали один из наиболее распространенных видов деревьев Свердловской области – березу повислую (Веtula pendula Roth) рис.1
рис.1
Практическая часть
Экология поселка Валериановск
Посёлок Валериановск муниципального образования «Качканарский городской округ» расположен в 8 километрах (по автотрассе в 10 километрах) к северу-северо-востоку от города Качканар, на левом берегу реки Выя (левый приток реки Туры), в устье левого притока реки Большая Гусева. В окрестностях посёлка, в 7 километрах к северу-западу, расположен гидрологический, ботанический природный памятник с реликтовыми и эндемичными растениями — болото Шумихинское.
Посёлок был основан в 1892 году В.Я. Бурдаковым как Валериановский прииск по добыче золота и назван им в честь своего племянника Валериана Протопопова. В 1895 году для промывки песков была установлена бутора – бочка длиной около 3,5 метра, первая на окрестных приисках. В 1893–1895 годах было добыто более 18 пудов драгметаллов. Затем было установлено 5 драг новозеландского типа. В советские годы месторождение истощилось. В 1933 году поселок был преобразован в рабочий посёлок Валериановск. В 1946 году здесь работала Качканарская геологоразведочная партия. Строительство Качканарского ГОКа и города Качканар в 1957 году способствовало развитию посёлка.
Качканарское месторождение титаномагнетитовых руд расположено на территории Нижнее-Туринского района Свердловской области, в 100 км к северу от г. Нижнего Тагила и 250 км к востоку от горы Чусовой. На месторождении выделяют два рудных поля: Гусевогорское и собственно Качканарское. Гусевогорское месторождение представляет обширный рудоносный массив. На месторождении прослеживаются семь рудных залежей, из которых более крупными являются Главная, Северная и Западная.
Основным рудным минералом является магнетит. Горную массу добывают с применением буровзрывных работ и вывозят за пределы карьеров. В непосредственной близости от комбината находятся шлакоотстойные пруды, хвостохранилище, в которые поступает карьерная вода.
Площадка КГОКа размещается на восточном склоне горы Долгая. Источником водоснабжения служит р. Выя, а местом укладки хвостов – долина р. Рогалевки.
Качканарский ГОК параллельно наращиванию производственных мощностей ежегодно увеличивает отходы обогатительного производства. На сегодняшний день Качканар и Валериановск «оккупированы» хвостами комбината.
Открытая разработка полезных ископаемых с использованием взрывного способа добычи руды в районах горно-металлургических комплексов наносит существенный урон природной среде. Не исключение и Качканарский ГОК.
Вопросами охраны окружающей среды на комбинате занимаются отдел охраны природы, санитарно-техническая лаборатория ЦКЛ и входящие в ее состав группы по контролю за загрязнением природных вод и атмосферного воздуха.
Технологические процессы при добыче и переработке железорудного сырья сопровождаются выбросом в атмосферу пыли, продуктов взрывных работ. Загрязнение атмосферы, природных вод и верхней части почвенного покрова экологически вредными веществами нарушает естественный процесс геоэкологической саморегуляции природной среды и может привести к быстрой и необратимой ее деградации, а также к негативному воздействию на здоровье населения региона.
Все эти факторы относятся к категории экологической опасности. По новым санитарно-производственным правилам санитарная зона для нашего предприятия увеличена в два раза. Если раньше она измерялась длинной в один километр от устья трубы аглоцеха, то сегодня это расстояние увеличилось до двух километров.
Жилой фонд не должен находиться в санитарно-защищенной зоне, поэтому его необходимо вывести из нее, и как можно более сузить эту зону. Как этого добиться? Путем уменьшения выбросов с основного источника – агломерационной фабрики. Вопросов по газовым выбросам с фабрики нет, во все предельно допустимые нормы мы укладываемся, но самый большой вопрос – это выброс пыли.
Срок эксплуатации фильтров для улавливания пыли, которые установлены на аглофабрике за агломашинами и охладителями, приближается к 40 годам. Морально и физически они уже не удовлетворяют экологическим требованиям, ремонтировали их практически каждые два года. Поэтому остро встал вопрос замены старых электрофильтров на электрофильтры с повышенным КПД, выполненные из более современных материалов. А новая внутренняя электрическая «начинка» электрофильтров позволит уменьшить выбросы на тысячу тонн.
На комбинате разработан перспективный план по охране окружающей среды. Кроме газоочистки в аглоцехе в него включены мероприятия по переводу на полный замкнутый цикл водоснабжения предприятия: предстоит построить водовод для сброса карьерных вод с Главного карьера, чтобы сбрасывать их не водные объекты, а в Выйский отсек оборотного водоснабжения, пополняя его и не загрязняя другие водоемы. Предстоит также повысить темпы рекультивации отвалов и хвостохранилища.
Заключение
В ходе выполнения работы мы познакомились с методикой проведения биоиндикационных исследований на примере флуктуирующей асимметрии листьев березы, возможностью их использования для интегральной оценки экологического состояния среды. Данный метод оценки является удобным информативным и вполне доступным. Всего было собрано и изучено 100 листьев березы повислой с 10 площадок. Проведенные исследования показали, что на определенных нами территориях состояние окружающей среды улучшается по мере удаления от шламовых карьеров, то есть подтверждено влияние неблагоприятных экологических факторов на стабильность развития листьев березы. Наибольшее отклонение (асимметричность) наблюдается у листьев березы на территории непосредственно прилегающих к границе санитарной нормы КГОКа. Результаты исследования можно использовать в качестве условного контроля загрязнения и направленного проведения озеленения города.
Гипотеза полностью подтвердилась: то есть поселок Валериановск относится к таким районам, в которых концентрация химических элементов в силу природных причин оказывается выше оптимального уровня, что обусловлено особенностями почвообразующих пород, почвообразовательного процесса, а также присутствием определенных рудных залежей.
Мониторинг окружающей среды сам по себе не решает экологических проблем, но он необходим для постоянного контроля за качеством жизни в условиях промышленного города, к которым относится Качканар. Исходя из этого, можно будет выделить основные источники загрязнения. В условиях города Качканар к таким источникам относится горно-обогатительный комбинат, производящий большое количество отходов.
| 
