Исследовательская работа по теме "Сосна обыкновенная как биоиндикатор состояния окружающей среды"

Региональный этап всероссийской олимпиады школьников по экологии 2016-2017 год 

г. Сургут

Исследовательская работа:

« Сосна обыкновенная как биоиндикатор состояния окружающей среды».

Автор:	Абубякирова Илфира Наилевна, Ученица 11-А класса Муниципальной средней общеобразовательной школы №31 с углублённым изучением предметов художественно-эстетического профиля.
Руководитель:	Снегирёва Ольга Романовна, учитель биологии Муниципальной средней общеобразовательной школы №31 с углублённым изучением предметов художественно-эстетического профиля.

                                                       г.Нижневартовск 2016 г

Оглавление

Введение. 3

Основная часть. 4

1. Теоретическая часть. 4

1.1 Экологический Опрос. 4

1.2  Характеристика исследуемого участка. 4

2. . Практическая часть. 5

2.1  Сбор хвои для исследований. 5

2.2. Определение морфологических изменений хвои сосны обыкновенной. 5

в зимний и летне-осенний период. 5

2.3. Определение продолжительности жизни хвои. 6

2.4 Анатомический срез хвои. 7

2.5 Спектрофотометрический метод. 7

3. Заключение. 9

4. Список литературы: 9

  «Сосна обыкновенная как биоиндикатор состояния окружающей среды».

Абубякирова Илфира Наилевна

Ханты-Мансийский автономный округ - Югра (Тюменская область)

город Нижневартовск

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение « средняя  школа       № 31 с углублённым изучением предметов художественно-эстетического профиля»

ученица 11-А класса.

Научная статья

Введение.

21 век - век информационных технологий. В этот период стремительно развивается промышленность, техника господствует над человеком. Но какие изменения произошли в природе вслед с изменением ценностных ориентиров человека в этот период?
Это исчерпание природных ресурсов, изменение климата в связи с хозяйственной деятельностью человека, технические преобразования и разрушения природных систем в процессе добычи природных ресурсов.
Но мы считаем, что самой главной проблемой 21 века является загрязнения, а именно атмосферы.

Так Нижневартовский район славится большими запасами нефти и газа. На месторождениях данных природных ресурсов часто находятся газовые факела, на которых сжигается попутный газ или токсичные выбросы, образующиеся при переработке нефти. При сжигании попутного нефтяного газа на факеле происходит выброс в атмосферный воздух более 250 опасных химических соединений [7, c.133-136 ].

 Зеленые насаждения способны  накапливать токсические вещества, которые выделяются при сжигании попутного  газа.  Из литературы мы узнали, что хвоя сосны обыкновенной обладает значительной чувствительностью к загрязнению атмосферного воздуха и почвы. Под влиянием ухудшения качества воздуха изменяется морфология хвои, её цвет, анатомические показатели и биохимия [11, c 103].

Таким образом, наша работа посвящена исследованию проблемы негативного влияния газовых факелов на экологическую обстановку прилегающих территорий.

Цель:  Изучение влияния сгораемого попутного газа на окружающую среду с учетом расстояния от факела и времени года.

Объект исследования: хвоя сосны обыкновенной.

Предмет исследования: морфо-функциональные особенности хвои сосны обыкновенной под влиянием факела по сжиганию попутного газа.

Задачи:

1. Изучить  литературу по проблеме исследования

2. Исследовать продолжительность жизни и анатомо-морфологические особенности хвои

3. Выявить особенности образования пигментов

Основная часть.

1.      Теоретическая часть

1.1 Экологический Опрос.

Среди учеников среднего и старшего звена школы мною был  проведен экологический  опрос. В ходе этого опроса, мы  выяснили, что  большинство учеников заинтересовано  проблемами, связанными с экологическим состоянием в городе и районе,

но в данный момент они не готовы предпринимать какие-либо действия с целью улучшения экологической обстановки (Диаграммы а - г, см. Приложение  1).

На данную ситуацию также влияет экологическая неграмотность учащихся.

1.2  Характеристика исследуемого участка.

Исследования проводились рядом с факелом, находящимся  на 5 км от первой самотлорской скважины (карта 1, см. приложение 2).

На данной территории наблюдалось небольшое количество деревьев, в том числе и сосны обыкновенной (Фотографии территории 1, см. приложение 2).

1.3 Объект исследования:  
    Морфологические и экологические особенности сосны обыкновенной.

Сосна обыкновенная – вечнозеленое дерево, которое широко распространено на всей территории России и является одной из ценнейших хвойных пород России.

Крона у молодых деревьев конусовидная, округлая, более широкая, а в старости плоская или зонтиковидная.

Почки засмоленные, красновато-бурые и удлиненно-яйцевидные, расположены мутовчато на конце побега вокруг конечной почки.

Хвоя темно-зеленая, расположена спирально и растет в пучках по две. Держится на дереве в течение трех- четырёх лет, опадает вместе с укороченным побегом.

Сосна - однодомное растение, где на одних ветвях образуются мужские шишки, собранные в большом количестве в виде колосовидного «соцветия» желтого цвета, а на верхушках молодых побегов того же дерева располагаются женские шишки. Они овальной формы, во время цветения красноватые. Опыление происходит весной, а оплодотворение - летом следующего года.

1.4 Методы исследования:
Биологическая индикация.

В нашем исследовании мы использовали метод биоиндикации, который основан  на тесной взаимосвязи живых организмов с условиями среды их обитания. Изменения этих условий  может привести к исчезновению определенных видов организмов, наиболее чувствительных к этим показателям, и появлению других, для которых такая среда будет оптимальной.

Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующая биоиндикация (позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции)  и биоиндикация по аккумуляции (использует свойство растений и животных накапливать химические вещества).

Сосна обыкновенная является регистрирующим биоиндикатором. Поэтому в данной работе мы учитывали следующие показатели состояния сосны обыкновенной: продолжительность жизни хвои и повреждения хвои, данные спектрофотометрии, анатомические изменения хвои.

2.      Практическая часть.

2.1  Сбор хвои для исследований

Ход работы:

1. Используя метод конверта, за центр исследуемой территории мы  взяли факел и от него по направлениям на северо-запад, северо-восток, юго-восток, юго-запад при помощи компаса и рулетки отложили 50 метров.

2. На площадке  в 50м от факела были отмечены четыре угловых точки. Затем около них выбрали несколько рядом стоящих сосен и собрали хвою. Хвою брали с  молодых сосен  высотой 1- 1,5 м. Таким же образом проводился отбор хвои на расстоянии 100 и 200метров от центра.

2.2 Определение морфологических изменений хвои сосны обыкновенной

в зимний и летне-осенний период.

Ход работы:

1. Все хвоинки делятся на группы: 50метров, 100 метров, 200метров от факела. При проведении работы внимательно осмотрели хвою и с  помощью рис.1 определили класс повреждения и усыхания хвои с учетом территориальных особенностей (рис.1,см. приложение 3).

2. Для каждого периода мы провели сравнение классов повреждения в 50, 100, 200м. от факела.  

3.Сравнили процентное количество хвоинок с каждым типом повреждения летне-осеннего периода с зимним периодом.

Результаты экспериментов:  диаграммы 2 (см. приложение 3)

Вывод: влияние факела отразилось на морфологическом состоянии хвои.

Так для зимнего периода характерно:

А) В 50 метрах от факела: большое число черных и желтых пятен  на хвои и усыхание трети хвои.

Б) В 100 метрах: копоть, большое число мелких пятен, но также встречалась хвоя с усыханием кончика в 2-5 мм.

В) хвоя, расположенная в 200 метрах от факела, обладала незначительным усыханием и небольшим количеством мелких пятен, но в отличие от хвои других территорий присутствовала чистая хвоя, то есть без пятен и усыханий.

Сравнительная характеристика состояния хвои летне-осеннего периода с зимним:

А) увеличение количества чистой хвои и хвои с небольшим числом мелких пятен, уменьшение количества хвои с большим числом черных и желтых пятен (см. приложение№3).

Б) в 100 и  200 метрах от факела: увеличение числа чистых хвоинок, уменьшение количества хвои с большим числом черных и желтых пятен (см.приложение 3).

Таким образом, значения повреждений в 50 метрах от факела были незначительно хуже, чем в 100 и 200 метрах, т.к. именно на этой территории происходит большое взаимодействие продуктов факела с сосной обыкновенной. Анализ повреждений в разные времена года показал, что повреждений хвои в зимнее время от факела гораздо больше, чем в летне-осенний период.

2.3 Определение продолжительности жизни хвои.

Ход работы:

1.С помощью шкалы продолжительности жизни сосновой хвои определили возраст хвои (рис.2, см приложение 4).

2. Сделали таблицу, где указали количество осмотренных деревьев с той или иной продолжительностью жизни хвои для определенной территории.

3.Используя данные таблицы, подставили значения в формулу и определили индекс продолжительности жизни (формула 1, см. Приложение 4).

4.Построили график (график 1, см. Приложение 4), где указали зависимость продолжительности жизни хвои от удаления от факела.

Результаты

Количество осмотренных деревьев с данной продолжительностью  жизни хвои \ расстояние участков от факела	50 м	100 м	200м
Возраст хвои 4 года и более- B1	4	19	21
Возраст хвои 3 года – B2	10	15	16
Возраст хвои 2 года - B3	17	8	9
Хвоя только текущего года-b*	19	7	5

По данным таблицы вычислила индекс продолжительности жизни.

      Q 50 = 1,58                                      Q 100 = 2,25                                     Q 200 = 2,73

Вывод: Проведя литературный обзор по данной теме, мы выяснили, что если продолжительность жизни хвои большая (3 – 4 года), то воздух чистый [11, c 106-107]. В нашем исследовании мы увидели, что  показатели продолжительности жизни хвои, расположенной  в 50 метрах от факела, отличались от значений других территорий. Таким образом, мы обнаружили, что показатели индекса продолжительности жизни хвои увеличивались с отдалением от факела.

2.4 Анатомический срез хвои.

Ход работы:  

1. Мы исследовали хвою как в разное время года (зима и лето), так и на разном удалении от факела(50 ,100 и 200 м)

2. Мы настроили микроскоп, приготовили «Субстрат» для приготовления срезов – кусочки картофеля, и, сделав срез хвои, обнаружили изменения в хвое сосны в зависимости от расстояния от факела, а  также  изменения в разный период времени (фотография срезов и таблицы 2,3 см. Приложение  5).

Вывод: отдаление от факела сказалось и на анатомическом состоянии хвои. Так мы выявили, что в многолетних хвоинках накапливаются ядовитые вещества, устьица забиваются копотью, что вызывает пожелтение и отмирание хвои на 1-2 года раньше      [5, c 3-18]. По сравнению с «чистой хвоей», хвоя, располагавшаяся вблизи факела, отклонялась от нормы. Но с отдалением деревьев от факела мы обнаружили, что увеличивалось количество и диаметр смоляных ходов и устьиц, что имеет адаптивный характер.

В зимний период количество смоляных ходов было гораздо больше, чем в летне-осенний период, это связано со свойством смоляных ходов участвовать в защите клеток от неблагоприятных условий. А в летний период количество устьиц было больше по сравнению с зимой, это связанно с высокой вегетацией хвоинок и с высокой степенью их транспирации.

2.5 Спектрофотометрический метод.

Ход работы:

1. Мы приготовили ацетоновый экстракт. Навеску свежей хвои (m=0,2г) тщательно растерли в фарфоровой ступке с 100%-ным ацетоном, с чистым кварцевым песком и мелом. После настаивания экстракт перенесли на стеклянный фильтр и фильтровали в стеклянной пробирке, вставленной в колбу Бунзена, которая соединена с водоструйным насосом.

Экстракцию пигментов небольшими порциями чистого растворителя мы повторили на фильтре 3-4 раза до полного извлечения пигментов.

Экстракты количественно перенесли в мерную колбу на 50 мл и объем вытяжки довели чистым растворителем до метки. Полученная ацетоновая вытяжка содержит суммарное количество зеленых и желтых пигментов.

2. Спектрофотометрический анализ ацетонового экстракта пигментов. Концентрация пигментов в вытяжке может быть определена на спектрофотометре. Для количественного определения часть полученного экстракта мы налили в круглую кювету спектрофотометра. Вторую кювету мы заполнили чистым растворителем. Кюветы поместили в кюветную камеру спектрофотометра и определили поглощение (A) при длинах волн, соответствующих максимумам определяемых пигментов [4, c 50-51].

3.   По полученным данным спектрофотометрического анализа определили концентрацию пигмента в вытяжке (хлорофилла a и b, каротиноиды) по двум формулам Д.Веттштейна и Лихтентайлера (табл.№4, см. приложение №6). Затем определили общее содержание пигмента в хвое для каждой территории от факела, учитывая объем вытяжки и массы пробы (табл. 5, см. приложение 6).

4.Сделали график, где показали содержание хлорофиллов a, b и каротиноидов в хвое сосны обыкновенной, произрастающей на определенной территории от факела.

Результаты:

Вывод: в зависимости от отдаления от факела существовали следующие показатели:

1.                  Происходило небольшое увеличение концентрации хлорофилла a, хлорофилла b. Таким образом, под действием веществ, загрязняющих  хвою, обесцвечивается хлорофилл, но чем дальше произрастает сосна обыкновенная, тем количество хлорофилла увеличивается.

2.                  Концентрация каротиноидов уменьшалась. Это связано с тем, что в зимний период желтые пигменты сохраняют хлорофилл от избытка солнечной радиации, также они участвуют в защите клеток от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды. То есть уменьшение каротиноидов в хвое по мере отдаления от факела взаимосвязано с местонахождением хвои. Следовательно, в сильно загрязненной территории (в 50 м от факела) их будет больше, а с улучшением воздуха их количество уменьшается.

3.                  Увеличение содержания пигментов в хвое показывает табл.4. Следовательно, отдаление от источника загрязнения (от факела) благоприятно влияет на количество пигментов в хвое.

 3. Заключение

1. Проведя опрос среди учащихся, мы убедились в экологической неграмотности большинства школьников, так как большинство опрошенных не знали и не задумывались о влиянии горения факелов на окружающую среду. Поэтому мы предлагаем проведение акции, чтобы помочь узнать жителям города Нижневартовска о состоянии окружающей среды.

2.   Проведенные исследования по проекту «Сосна обыкновенная как биоиндикатор состояния окружающей среды» были выявлены следующие закономерности:

А) Продолжительность жизни хвои на расстоянии 50 и 100 м была снижена, в 200 м от факела она была самой высокой.

Б) Процент усыхания хвои, некрозов увеличивался от 200 м к 100 и 50 м.

В) В зимний период времени по сравнению с летне-осенним процент некрозов и усыхания хвои выше, особенно на расстоянии 100 и 50 м.

Г) Под влиянием продуктов сжигания факела наблюдались изменения в анатомическом строении хвои. На расстоянии 50 и 100 м количество смоляных ходов было меньше, чем в 200 м от факела. Менялось количество устьиц на единицу площади листа. В зимний период времени их число уменьшалось по сравнению с летне-осенним периодом. Самое высокое их число было на расстоянии 200 м, как летом так и зимой.  

Д) На исследуемых опытных площадках вблизи факела (50 и 100 м) содержание хлорофилла a и b сокращалось. На расстоянии 200 м оно было выше. Обратная закономерность прослеживалась для каротиноидов. Вблизи факела (50 и 100 м) их содержание было выше.

3. Территория, расположенная в 50 м от факела, обладала наиболее выраженными повреждениями, поэтому она была наиболее загрязненной территорией около факела. А самым неблагоприятным временем года для состояния хвои была зима.

Таким образом, проведенные исследования показали, что  факела по сжиганию попутного нефтяного газа оказывают значительное влияние на растительные фитоценозы, в том числе на хвою сосны обыкновенной.

4. Список литературы:

1.Аникеев Д.Р., Бабушкина Л.Г., Зуева Г.В.  Состояние репродуктивной системы сосны обыкновенной при аэротехногенном загрязнении // Екатеринбург : Изд-во Урал. гос. лесотехн. акад., 2000. — 81 с.

2. Ашуров А.А., Эргашева Г.М., Саидов М. Анатомические особенности строения листа при техногенном загрязнении // Известия Академии наук Таджикской республики отделения биологических и медицинских наук. 2001. № 5. С. 95–105

3.Власова О. С. Экология / учебное пособие; М-во образования и науки Рос. Федерации, Волгоград: ВолгГАСУ, 2014.с.105

4. Гавриленко В. Ф. Большой практикум по фотосинтезу: Учеб. пособие / В. Ф. Гавриленко, Т. В. Жигалова; Под ред. И. П. Ермакова. - М.: издательский центр «Академия», 2003. - 256 с.

5.Ганчарова О.С., Куравский М.Л. Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиад школьников по биологии // 2008. — 102 с.

6..Ломаева С.Н. Биоиндикация загрязнений окружающей среды // Тюмень 1998  с.25

7..Мотузова  Г.В.,  Карпова Е.А. Химическое загрязнение  биосферы  и  его  экологические  последствия// Учебник.- М.:  Издательство  Московского  университета,  2013  —304  с. 

8..Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Экология России // Учебник из федерального комплекта для 9-11-х классов общеобразовательной школы. Изд. 2-е,перераб. и доп. 1996 с.272

9.Понамарева И. Н. Экология растений с основами биогеоценологии // - М.: «Просвещение», 1978. - 207 с.

10.Степановских А.С. Общая экология // Учебники и учебные пособия высших учебных заведений.2-е изд., переработка и доп. 1999

11. Школьный экологический мониторинг. Учебно-методическое пособие/ под ред. Ашихминой Т.Я.. – М.: АГАР, 2000

 «Сосна обыкновенная как биоиндикатор состояния окружающей среды».

Абубякирова Илфира Наилевна

Ханты-Мансийский автономный округ-Югра (Тюменская область)

город Нижневартовск

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение « средняя  школа       № 31 с углублённым изучением предметов художественно-эстетического профиля»

Ученица 11-А класса.

Приложение

Приложение

 Приложение 1

А)	Б)
В)	Г)

Приложение 2
карта 1

Фотографии территории 1

А) В зимний период

Б) В летне-осенний период

                                  Сбор хвои для исследования.

Приложение 3

Рис. 1

Виды повреждения и усыхания хвои могут быть следующими:

а — хвоя без пятен (КП I ), нет сухих участков (КУ1);

б — хвоя с небольшим числом мелких пятен (КП II),нет сухих участков (КУ1);

в - хвоя с большим числом черных и желтых пятен (КП III ), усох кончик 2—5 мм (КУ2);

г - усохла треть хвои (КУЗ);

д - усохло более половины длины хвои (КУ4);

е — вся хвоя желтая и сухая (КУ4);

                КП - класс повреждения (некрозы);                КУ — класс усыхания хвои.

Диаграммы 2

Процентное количество хвоинок с каждым классом повреждений:

Приложение 4

Рис.2  Шкала продолжительности жизни сосновой хвои

Формула 1 для вычисления индекса продолжительности жизни:

Q=

     B1, B2,B3, B4- количество деревьев с данной продолжительностью жизни хвои.

Возраст хвои 4 года и больше – B1; 3 года – B2; 2 года- B3; 1 год и меньше- B4/

График 1

Q 50 = 1,58                                      Q 100 = 2,25                                     Q 200 = 2,73

Приложение  5                             Таблица  2  Анатомический анализ хвои

В Зимний период	Хвоя в 50 метрах от факела		Хвоя в 100 метрах от факела		Хвоя в 200 метрах от факела
Фотографии срезов хвои	Пробы №1-2		Пробы №1-2		Пробы №1-2
Количество смоляных ходов	№1 3	№2 5	№1 5	№2 7	№1 7	№2 8
	* образцы №1,2 забиты копотью
Количество устьиц	№1 3	№2 3	№1 6	№2 4	№1 7	№2 6
	* в образцах №1,2 они плохо видны, разрушены

Табл. 3 Анатомический анализ хвои

В Летне-осенний период	Хвоя в 50 метрах от факела	Хвоя в 100 метрах от факела		Хвоя в 200 метрах от факела
Фотографии срезов хвои	Пробы №1-2	Пробы №1-2		Пробы №1-2
Количество смоляных ходов	№1                    7	№1 4	№2 3	№1 4	№2 4
Количество устьиц	№1                  5	№1          6	№2 7	№1 6	№2 9

Приложение 6.

Табл. 4

	Концентрация пигментов
Расстояние от факела	Хлорофилл a	Хлорофилл b	Каротиноиды
50 метров	6,242	0,892	0,531
100 метров	6,252	1,597	0,439
200 метров	6,263	3,834	0,257

Табл. 5

	Содержание пигмента в хвое
Вычисления по формулам:	50 метров от факела	100 метров от факела	200 метров от факела
Д.Веттштейна	1,55 мг/г	1,96 мг/г	2,521 мг/г
Лихтентайлера	1 мг/г	1,077 мг/г	1,375 мг/г