Материал: Фітоіндикаційне дослідження стану навколишнього середовища урбоекосистем Криворіжжя

Фітоіндикаційне дослідження стану навколишнього середовища урбоекосистем Криворіжжя

ЗМІСТ

Вступ

Розділ І. Біоіндикація як важлива складова екологічного моніторингу в техногенно навантаженому регіоні

1.1 Основні джерела і чинники забруднення міського середовища

1.2 Екологічні основи фітоіндикації

1.3 Фітоіндикація антропогенних впливів за морфологічними змінами рослин

Розділ ІІ. Об’єкт та методи дослідження

.1 Об’єкт дослідження

2.2 Аналіз стерильності чоловічого гаметофіту та морфометрія пилкових зерен

2.3 Морфометричні показники листкових пластинок як показник якості стану атмосферного повітря

Розділ ІІІ. Фітоіндикаційна оцінка Криворізької урбоекосистем

.1 Аналіз морфометричних показників листкових пластинок Populus nigra L

3.2 Порівняльний аналіз репродуктивних структур рослин в умовах урбоекосистем

Висновки

Список використаної літератури

ВСТУП

Кривий Ріг є одним з найкрупніших міст України з підвищеним техногенним навантаженням, що обумовлено наявністю на його території підприємств металургійної, гірничо - рудної галузей промисловості У таких умовах постійно підвищується ступінь надходження шкідливих викидів у атмосферу на одиницю площі [4]. Таким чином в урбанізованому середовищі зростає частка сполук, які характеризуються мутагенними властивостями. Тому важливим є контроль за станом навколишнього середовища та своєчасний аналіз забрудненості території міста. В деякій мірі ці питання дозволяє вирішити фітоіндикаційна оцінка.

Визначення біологічно значимих антропогенних навантажень на основі реакцій на них рослинних організмів та їх угруповань пов’язано з фітоiндикацією. Значимість рослинного покриву як індикатора стану екосистеми полягає в тому, що він дуже чутливо реагує на зміну екологічних факторів і така реакція в багатьох випадках фіксується візуально.

Цитогенетичні ефекти є одним з найбільш розповсюджених тестів для оцінки небезпеки мутагенів, як в експериментальних дослідженнях дії хімічних сполук, так і в генетичному моніторингу. Крім того, використовуються опосередковані показники мутагенної дії, до яких, зокрема, може бути віднесений тест на визначення стерильності пилку.

Деякі автори використовують оцінку стану пилку рослин як індикатор забруднення оточуючого середовища. Застосування таких підходів є доцільним при оцінці визначенні мутагенного фону урботехногенних територій.

Мета роботи: провести фітоіндикаційне дослідження стану навколишнього середовища урбоекосистем Криворіжжя.

Об’єкт дослідження: листові пластинки Populus nigra L. та чоловічий гаметофіт Robinia pseudoacacia L. і Castanea vulgaris Lam.

Предмет дослідження: морфометричні зміни фітоіндикаторів.

Мета роботи обумовила вирішення наступних завдань дослідження:

. Дати характеристику біоіндикації як методу екологічного дослідження.

. З’ясувати суть поняття фітоіндикація та ознайомитись з історією фітоіндикаційних досліджень.

. Розглянути основні фітоіндикаційні діагностичні характеристики середовища.

. Дати фітоіндикаційну оцінку Криворізької урбоекосистеми на основі аналізу морфометричних показників листкових пластинок Populus nigra L. та репродуктивних структур Robinia pseudoacacia L. і Castanea vulgaris Lam.

Методи досліджень. При написанні наукової роботи нами були використані таки наукові методи

·   теоретичні: гіпотетичний метод, системний, узагальнення;

·   загально-логічні: аналіз, синтез, індукція і дедукція;

·   практичні: польові (відбір зразків листових пластинок, чоловічих гаметофітів), лабораторні (визначення площ листових пластинок, дослідження стерильності пилкових зерен та їх макроморфологічна характеристика), математичні

Дослідження проведене на основі аналізу 300 зразків листових пластинок Populus nigra L., які були взяті з Жовтневого та Саксаганського районів міста Кривий Ріг та близько 3000 пилкових зерен одного виду (для кожного виду було проаналізовано по 5 зразків).

РОЗДІЛ І

БІОІНДИКАЦІЯ ЯК ВАЖЛИВА СКЛАДОВА ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ В ТЕХНОГЕННО НАВАНТАЖЕНОМУ РЕГІОНІ

урбоекосистема криворіжжя фітоіндикація забруднення

1.1 Основні джерела і чинники забруднення міського середовища

Під забрудненням атмосфери розуміють потрапляння в неї речовин будь-якого походження, які або не властиві природному складу атмосфери, або знаходяться в концентраціях, що значно відрізняються від їх природного вмісту в атмосфері і, як правило, шкідливо впливають на живі організми та пригнічують їх життєдіяльність. Це, насамперед, стосується приземного шару атмосфери [4].

За походженням всі джерела забруднення атмосфери поділяють на природні й антропогенні [1]. До природних джерел забруднення атмосфери відносять виверження вулканів, лісові пожежі, поверхні вивітрювання тощо. Крім того, до природних джерел забруднення атмосфери відносять космічний пил, сонячне та космічне випромінювання тощо. Серед основних джерел антропогенного забруднення особливу увагу слід приділяти викидам промислових підприємств та енергетичних систем. На цих підприємствах джерелами забруднення атмосфери є не утилізовані відходи, які утворюються в результаті обміну речовин та енергій підприємства та довкілля.

Основними забруднювачами атмосферного повітря є оксиди вуглецю (CO+CО2), діоксид сірки (SО2), оксиди азоту, вуглеводні, пил, біологічні забруднення тощо [14].

За ГОСТ 17.2.1.01-76, забруднюючі атмосферу речовини класифікують за агрегатним станом та кількістю речовин. За агрегатним станом забруднюючі атмосферу речовини поділяють на газоподібні, пароподібні (пари органічних розчинників), тверді й рідкі. Останні утворюють в повітрі аерозолі [4].

Крім того забруднювачі атмосферного повітря об'єднують в дві основні групи: матеріальні й енергетичні. У свою чергу, матеріальні забруднювальні атмосферу речовини поділяють на хімічно інертні (нетоксичні) та хімічно активні (токсичні). Токсичними називають такі інгредієнти, які при перевищенні певних граничнодопустимих концентрацій (ГДК) спричиняють загибель живих істот або пригнічують їхню життєдіяльність, в тому числі впливають на здоров'я людей. Нетоксичними є такі інгредієнти, які необхідні для розвитку живих організмів або вони не впливають на їхню життєдіяльність у межах певних концентрацій, що характерна для природного складу атмосферного повітря. Значне відхилення від меж природних концентрацій нетоксичних інгредієнтів може здійснювати негативний вплив на живі організми.

Існує ще одна класифікація забруднюючих атмосферу речовин за характером впливу на живі організми. Так виділяють п'ять основних груп забруднюючих речовин [10] :

·   загальносоматичні, які при певній кількісній дії можуть викликати отруєння всього організму, наприклад, оксид вуглецю (ІІ), пари меркурію, неорганічні сполуки свинцю, тощо;

·   подразнювальні, які викликають подразнення дихальних шляхів та слизових оболонок, наприклад, оксиди сірки та азоту, озон, хлор тощо;

·   алергени або сенсибілізуючі, тобто хімічно інертні речовини, які здатні викликати алергії та шкіряні захворювання типу екзем, наприклад, нетоксичний пил, квітковий пилок, тощо;

·   канцерогенні, які викликають появу злоякісних пухлин, наприклад, бенз(а)пірен, азбест, сполуки хрому (VІ), радон, тощо;

·   мутагенні, які викликають небажані мутації в живих організмах, наприклад, радіонукліди, органічні сполуки свинцю, сполуки марганцю у вищих ступенях окислення, тощо.

Всі перераховані забруднюючі речовини викликають так зване матеріальне забруднення атмосфери, яке має негативний вплив як на живі організми так і неживу природу.

.2 Екологічні основи фітоіндикації

Всі екологічні системи - будь-то організми, популяції або біоценози - в ході свого розвитку пристосувались до комплексу факторів, місця існування. Вони заволоділи всередині біосфери певною областю, екологічною нішею, в якій знаходяться відповідні умови існування, та можуть нормально живитись та розмножуватись. Кожен організм характеризується по відношенню до будь-якого діючого на нього фактора генетично детермінованим, філогенетично набутим, унікальним фізіологічним діапазоном толерантності, в межах якого цей фактор є для нього оптимальним. Якщо цей фактор відрізняється дуже високою або дуже низькою інтенсивністю, але не приводить до загибелі, то організм знаходиться в фізіологічному песимумі. За рамками деякого мінімального або максимального значення фактора подальше життя неможливе. В обмеженій області інтенсивності фактора, яка особливо сприяє для даної особини, організм існує в умовах фізіологічного оптимуму [1]..

При широкій амплітуді толерантності організми називають евріпотентними, при вузькій - стенопотентними. В відповідності з цим організми або угрупування організмів, життєві функції яких так тісно корелюють з певними факторами середовища, що можуть застосовуватись для їх оцінки, називаються фітоіндикаторами. Це змістовне визначення відноситься і до індикації природних умов місця мешкання в цілому, здійснюваною, наприклад, в сільському та лісовому господарстві по присутності рослин, які характерні для певного екотопу [16].

При фітоіндикації зміни біологічної системи завжди залежать як від антропогенних так і від природних факторів середовища. Ця система реагує на дію середовища в цілому у відповідності зі своєю схильністю, тобто такими внутрішніми факторами, як умови харчування, вік, генетично контрольована стійкість та вже присутні порушення. Якщо індикатор реагує значним відхиленням життєвих проявів від норми, то він є чутливим фітоіндикатором [11].

Акумулятивні фітоіндикатори, навпаки, накопичують антропогенні впливи більшою частиною без швидкого виявлення порушень. Функції індикатора виконує той вид, який має вузьку амплітуду екологічної толерантності по відношенню до якого-небудь фактора. В більшості випадків це рослини - організми, які не здатні до активного переміщення [6].

Індикація екологічних умов проводиться на основі оцінки зміни як видового розмаїття організмів тієї чи іншої місцевості, так і їх хімічного складу, який відображує їх здатність накопичувати елементи та сполуки, які надходять з оточуючого середовища. Наприклад, оцінка стану оточуючого середовища по зміні кількості видів пов’язана з тим, що найбільш чуттєві до тих чи інших забруднюючих речовин види рослин зникають з біоценозу (лишайники в промислових центрах) або, навпаки, збільшують свою чисельність (синьо-зелені водорості при надходженні у водойми забруднюючих речовин з сільськогосподарських угідь) [16].

Отже, фітоіндикація є складовою частиною екологічного моніторингу - системи нагляду за станом оточуючого середовища на певній території (від ділянки суші або водної поверхні до цілого континента) з метою раціонального використання природних ресурсів та їх охорони. ЇЇ об’єктами виступають рослини та їх угрупування.

.3 Фітоіндикація антропогенних впливів за морфологічними змінами рослин

Динамічна рівновага та стабільність біологічних систем тісно пов’язані з фітоіндикацією морфо-генетичних змін рослин у відповідь на антропогенні впливи. На рівні організмів та екосистем вплив стресорів відрізняють тільки завдяки появі зовнішніх симптоматичних ушкоджень (некрози, хлорози) після того як порушена границя адаптаційної здатності і системи стають нестабільними. Для деяких стресових факторів вже випробувані та іноді спеціально підібрані різноманітні морфологічні індикатори, за допомогою яких можлива коротко або довгострокова індикація як при низьких, так і при високих дозах їх впливів [11]. Макроскопічні зміни, пов’язані зі змінами забарвлення листя, у більшості випадків представлені як неспецифічна реакція на різноманітні стресори.

Хлороз - бліде забарвлення листя між жилками [7].. Так пожовтіння країв або певних ділянок листя (у листяних дерев під впливом хлоридів); почервоніння (накопичення антоціанів у вигляді плям на листях смородини та гортензії під дією SO2); побуріння або побронзовіння (у листяних дерев - часто початкова стадія важких некротичних ушкоджень, у ялини та сосни - служить для подальшої розвідки димових ушкоджень). Зміна забарвлення при яких характер ураження листя схожий з морозними ураженнями - часто перші стадії некрозів.

Некрози - відмирання обмежених ділянок тканин - важливі симптоми ушкоджень при індикації, іноді специфічні [17].. Розрізняють такі види некрозів:

·   крапельні та плямисті некрози - це відмирання тканин листкової пластинки у вигляді крапок або плям;

·   міжжилкові некрози - відмирання листкової пластинки між бічними жилками першого порядку, часто при дії SO2;

·   крайові некрози - характерні, чітко відмежовані форми, з’являються у лип, які ушкоджені кам’яною сіллю, яку застосовують для танення льоду. Поєднання міжжилкових та крайових некрозів приводить до появи візерунку типу “риб’ячого скелету”;

·   верхівкові некрози (особливо у однодольних та хвойних), характерні темно-бурі, різко відмежовані некрози кінців хвої у сосни та ялиці після дії SO2, або білі знебарвлені некрози верхівок листя у Gladiolus Snow Princess під впливом F2 та HF;

·   некрози навколоплоднику, які утворюються після впливу SO2 на насінні плоди, особливо біля квіток. При розвитку некрозів спочатку спостерігається зміна в забарвленні (при дії SO2 найчастіше утворюються брудно-зелені; пероксиацетилнітрату - просочені водою; О3 - плями з металічним блиском; хлоридів - хлорози). Після гибелі клітини вражені ділянки осідають, висихають і можуть за рахунок виділення дубильних речовин забарвлюватись у бурий колір (часто у дерев), або через декілька днів вицвітають до білуватого забарвлення.

Передчасне в’янення відбувається під дією етилену в теплицях: квіти гвоздики при цьому не розкриваються, а пелюстки орхідей в’януть.

Опадання листя (дефоліація) у більшості випадків спостерігається після некрозів або хлорозів [5]. Прикладом служать зменшення тривалості життя хвої, її осипання у ялин, скидання двоголкових укорочених пагонів у сосни, передчасне опадання листя у лип та кінських каштанів під впливом солі, яку застосовують для танення льоду, або у аґрусу та смородини під дією SO2.

Аномальна конфігурація листя відмічена у листяних дерев після впливу радіоактивного випромінювання. В результаті локальних некрозів виникає потворна деформація, перетягування, здуття або викривлення пагонів, зрощення або розщеплення окремих органів, збільшення або зменшення в числі частин квітки, зміна статі та інші аномалії розвитку під дією гормональних гербіцидів або радіоактивного випромінювання [7].

Зміна напрямку росту коренів відмічено у кульбаби при зміні рівня ґрунтових вод; у Dycranum polysetum - утворення сланких пагонів та галуження; у лип при стійкому забрудненні атмосфери НСl або SO2 спостерігається кущовидна та подушкова форми росту; у вражених димом хвойних порід зрідження крони та зміна бонітету стовбура.

Зміна приросту в більшості неспецифічна, але широко застосовується при індикації, так як є більш чутливим параметром, чим некрози і дозволяє безпосередньо визначити зниження продуктивності вирощуваних людиною рослин. Вимірюють головним чином зміни радіального приросту стовбура, приросту пагонів та листя в довжину, довжину коренів.

Отже, після порушення адаптаційної здатності у рослин з’являються зовнішні симптоми ушкоджень за якими можна робити індикацію тих чи інших стресових факторів на рослину [11].

Одним із підходів в індикації мутагенної напруженості навколишнього середовища є також дослідження репродуктивних структур деревних порід (і, насамперед, чоловічого гаметофіту), які дуже чутливі до дії забруднювачів. При цьому фіксуються кількість і характер аномальних пилкових зерен, зміни морфогенезу і життєздатності пилку, зниження репродуктивної здатності.[5]. Метод виконує роль своєрідного бар’єру в передачі потомству деяких типів мутацій. В результаті чого утворюється стерильний пилок і нежиттєздатне насіння. Тому найбільш значними критеріями в оцінці дії техногенних забруднювачів є кількість аномальних клітин і стерильність пилкових зерен.