Исследовательский проект по биологии

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ

АДМИНИСТРАЦИИ ГОРОДА НИЖНЕГО НОВГОРОДА

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА

С УГЛУБЛЕННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ ОТДЕЛЬНЫХ ПРЕДМЕТОВ № 118 603074 Н.Новгород ул. Народная, дом 35

Научное общество учащихся

Водные растения как биоиндикаторы химических загрязнений водных источников (моделирование экологической ситуации).

Выполнила:

Маринина Екатерина

ученица 9б класс

Научный руководитель:

Трегубенко Ю.В.,

учитель биологии

Н.Новгород

2016

Содержание

Введение……………………………………………………………………..…...3

ГЛАВА 1 Теоретическая часть

1.1 Вода и ее значение для человека ………………………………....5

1.2 Источники загрязнения водных объектов.……….………..…......7

1.3 Влияние загрязнения вод мирового океана на жизнедеятельность живых существ.…………………………………………………..…………... …10

1.4 Влияние загрязнений на жизнедеятельность водных растений………………………………………………………………...………..13

1.5 Состояние вод в Нижегородской области……………………….14.

1.6 Меры очистки воды………………………………………….……16

ГЛАВА 2. Биоиндикация и фитоиндикация как методы оценки состояния окружающей среды……………………………………………………………...19

ГЛАВА 3 Исследовательская часть

3.1 Материалы и методы исследования…………………………..….24

3.2 Моделирование экологической ситуации ……………………….25

3.3Результаты исследования ……………………………………….....26

Заключение……………………………………………………………………….33

Список используемых источников и литературы……………………………..35

Приложения………………………………………………………………......….37

Введение

Возрастающая с каждым годом деградация природной среды под влиянием антропогенных загрязнений создает угрозу выживаемости человечества. Современные технические средства контроля состояния окружающей среды, разработанные в первую очередь для оценки степени загрязненности в промышленных условиях, – не единственные способы определения состояния природной среды. Биоиндикация в этом плане является оптимальным и активно развивающимся методом ее оценки. Он подразумевает слежение за природными и антропогенными процессами в биологических средах, включающее всю совокупность взаимодействия живого с агентами внешней среды, в том числе выяснение ответных реакций биосред на природные и антропогенные воздействия.

Объектами исследования в данном случае выступают биоиндикаторы – организмы, присутствие или интенсивность развития которых служит показателем изменений каких-либо естественных процессов или условий в окружающей среде. Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого (биологические молекулы, клетки, ткани, органы, организмы и популяции).

Когда в качестве индикаторов используют растения, то такая биоиндикация называется фитоиндикацией. Растения как биоиндикаторы проявляют дифференциальную чувствительность к различным видам антропогенных воздействий. В настоящее время биоиндикационным методом, основанным на изменении морфологии растений, построен ряд картосхем антропогенных влияний.

Фитоиндикация нередко точнее и объективнее, чем использование прямых физических и химических методов. Последние оценивают среду одномоментно, не отражают максимальные и минимальные значения отдельных неблагоприятных факторов в их воздействии на живые организмы, игнорируют их сочетания, тогда как фитоиндикация интегрирует все химические и физические стрессовые факторы и наиболее информативна при социально-гигиенических оценках пригодности природной среды для человека. Преимущество использования растений состоит и в том, что они

неподвижны.

Биоиндикация растений в условиях техногенного загрязнения – актуальный и перспективный метод исследования состояния окружающей среды. Она позволяет существенно повысить точность прогнозов изменений в окружающей среде, вызванных деятельностью человека.

Гипотеза исследовательской работы:
Закисление, защелачивание, загрязнение природных вод органическими веществами и синтетическими моющими средствами пагубно влияет на зелёные водные растения - биоиндикаторы.

Новизна исследовательской работы заключается в том, что данный материал позволяет расширить представление об использовании различных водных растений в качестве биоиндикаторов и влиянии на их жизнедеятельность различных загрязнителей на организменном и на клеточном уровне.

Целью моего исследования является:
оценить воздействие искусственных экологических сред, моделирующих экологические ситуации, с помощью водных растений, выступающих в роли биоиндикаторов.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1) определить влияние химических загрязнений водных источников на жизнедеятельность зелёных водных растений – биоиндикаторов.

2) выявить и сравнить характер изменений, обусловленных химическими загрязнениями водных источников на жизнедеятельность зелёных водных растений - биоиндикаторов, на клеточном и организменном уровне.

ГЛАВА 1. Теоретическая часть.

1.1.Вода и ее значение для человека

Человечество на протяжении всего существования пытается разгадать тайну этой удивительной и противоречивой стихии. Как она возникла, как попала на нашу планету? Наверное, никто так и не сможет ответить на этот вопрос, зато каждый знает, что значение воды в природе и жизни человека невообразимо велико.

Одно абсолютно верно - сегодня запасов воды на Земле столько же, сколько было при рождении мироздания. Уникальные свойства воды сжиматься при нагреве и расширяться при замерзании – еще один повод удивиться. Ни одно другое вещество не обладает подобными свойствами. А ее способность переходить из одного состояния в другое, столь привычная и вместе с тем, удивительная, играющая исключительную роль, дает возможность всем живым организмам существовать на Земле. Высшим Разумом воде отведена основная партия в поддержании жизни и участии в постоянно происходящих природных процессах. значение воды для человека Круговорот воды. Этот процесс называется гидрологическим циклом, представляющим собой непрерывную циркуляцию воды, попадающей из гидросферы и поверхности земли в атмосферу, а потом обратно. В цикле участвуют четыре процесса: испарение; конденсация; выпадение осадков; сток вод. Попав на землю, часть осадков, испаряясь, конденсируется, другая часть благодаря стоку наполняет водоемы, третья обращается в грунтовые воды, уходя под землю. Так, постоянно передвигаясь, питая водные артерии, растения и животных и сохраняя собственные запасы, кочует, оберегая Землю, вода. [5]

Значение воды очевидно и бесспорно. Механизм круговорота и его виды. В природе существует большой круговорот (так называемый мировой), а также два малых – континентальный и океанический. Собирающиеся над океанами осадки переносятся ветрами и выпадают на континенты, а затем опять возвращаются в океан со стоком. Процесс, когда океаническая вода непрерывно испаряется, конденсируясь и снова выпадая в океан в виде осадков, называют малым океаническим круговоротом. А все аналогичные процессы, происходящие над сушей, объединяются в малый континентальный круговорот, главным действующим лицом в котором является вода.

Ее значение в природных процессах непрерывной циркуляции, поддерживающей водный баланс Земли и обеспечивающей существование живых организмов, бесспорно. Не имеющая питательной ценности в обычном понятии, вода – основная составляющая любого живого организма, в том числе и человека. [13]

Никто не сможет существовать без воды. Две трети в составе любого организма занимает вода. Значение воды исключительно важно для правильного функционирования всех систем и органов. На протяжении жизни человек ежедневно соприкасается с водой, используя ее для питья и пищи, гигиенических процедур, отдыха и отопления. [13]

Мировой океан включает в себя все моря и океаны Земли. Он занимает около 70% поверхности планеты, в нем находится 96% всей воды на планете. Мировой океан состоит из четырех океанов: Тихого, Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого.
Размеры океанов Тихий — 179 млн. км2, Атлантический-91.6 млн. км2 , Индийский — 76,2 млн. км2, Северный Ледовитый — 14,75 млн. км2

1.2 Источники загрязнения водных объектов.

Загрязнение воды-изменения химического и физического состояния или биологических характеристик воды, ограничивающие дальнейшее ее употребление. При всех типах водопользования меняются либо физическое состояние (например, при нагревании), либо химический состав воды - при поступлении загрязняющих веществ, которые делятся на две основные группы: со временем изменяющиеся в водной среде и остающиеся в ней неизменными. К первой группе относятся органические компоненты бытовых стоков и большая часть промышленных, например отходы целлюлозно-бумажных предприятий. Вторую группу составляют многие неорганические соли, например сульфат натрия, который используется как краситель в текстильной промышленности, и неактивные органические вещества типа пестицидов. [2]

Наиболее известным источником загрязнения воды, которому традиционно уделяется главное внимание, являются бытовые (или коммунальные) сточные воды. Водопотребление городов обычно оценивают на основе среднего суточного расхода воды на одного человека, в США равного примерно 750 л и включающего воду питьевую, для приготовления пищи и личной гигиены, для работы бытовых сантехнических устройств, а также для полива лужаек и газонов, тушения пожаров, мытья улиц и других городских нужд. Почти вся использованная вода поступает в канализацию. Поскольку ежедневно в сточные воды попадает огромный объем фекалий, главной задачей городских служб при переработке бытовых стоков в коллекторах очистных установок является удаление патогенных микроорганизмов. При повторном использовании недостаточно очищенных фекальных стоков содержащиеся в них бактерии и вирусы могут вызвать кишечные заболевания (тиф, холеру и дизентерию), а также гепатит и полиомиелит. В растворенном виде в сточных водах присутствуют мыло, синтетические стиральные порошки, дезинфицирующие средства, отбеливатели и другие вещества бытовой химии. Из жилых домов поступает бумажный мусор, включая туалетную бумагу и детские подгузники, отходы растительной и животной пищи. С улиц в канализацию стекает дождевая и талая вода, часто, с песком или солью, используемыми для ускорения таяния снега и льда на проезжей части улиц и тротуарах. [15]

В индустриально развитых странах главным потребителем воды и самым крупным источником стоков является промышленность. Промышленные стоки в реки по объему в 3 раза превышают коммунально-бытовые. Вода выполняет разные функции, например служит сырьем, обогревателем и охладителем в технологических процессах, кроме того, транспортирует, сортирует и промывает разные материалы. Вода также выводит отходы на всех стадиях производства - от добычи сырья, подготовки полуфабрикатов до выпуска конечной продукции и ее расфасовки. Поскольку гораздо дешевле выбрасывать отходы разных производственных циклов, чем перерабатывать и утилизировать, с промышленными стоками сбрасывается громадное количество разнообразных органических и неорганических веществ. Более половины стоков, поступающих в водоемы, дают четыре основные отрасли промышленности: целлюлозно-бумажная, нефтеперерабатывающая, промышленность органического синтеза и черная металлургия (доменное и сталелитейное производства). Из-за растущего объема промышленных отходов нарушается экологическое равновесие многих озер и рек, хотя большая часть стоков нетоксична и несмертельна для человека. [4]

Тепловое загрязнение. Наиболее масштабное однократное употребление воды - производство электроэнергии, где она используется главным образом для охлаждения и конденсации пара, вырабатываемого турбинами тепловых электростанций. При этом вода нагревается в среднем на 7° С, после чего сбрасывается непосредственно в реки и озера, являясь основным источником дополнительного тепла, который называют "тепловым загрязнением". Против употребления этого термина имеются возражения, поскольку повышение температуры воды иногда приводит к благоприятным экологическим последствиям. [14]

Вторым основным потребителем воды является сельское хозяйство, использующее ее для орошения полей. Стекающая с них вода насыщена растворами солей и почвенными частицами, а также остатками химических веществ, способствующих повышению урожайности. К ним относятся инсектициды; фунгициды, которые распыляют над фруктовыми садами и посевами; гербициды, знаменитое средство борьбы с сорняками; и прочие пестициды, а также органические и неорганические удобрения, содержащие азот, фосфор, калий и иные химические элементы. Кроме химических соединений, в реки попадает большой объем фекалий и других органических остатков с ферм, где выращиваются мясо-молочный крупный рогатый скот, свиньи или домашняя птица. Много органических отходов также поступает в процессе переработки продукции сельского хозяйства (при разделке мясных туш, обработке кож, производстве пищевых продуктов и консервов и т.д.). [14]

1.3 Влияние загрязнения вод мирового океана на жизнедеятельность живых существ.

Чистая вода прозрачна, бесцветна, не имеет запаха и вкуса, населена множеством рыб, растений и животных. Загрязненные воды мутные, с неприятным запахом, не пригодны для питья, часто содержат огромное количество бактерий и водорослей. Система самоочистки воды (аэрация проточной водой и осаждение на дно взвешенных частиц) не срабатывает из-за переизбытка в ней антропогенных загрязнителей.

Промышленные источники.

Выброс технических вод, содержащих отходы производства, в несколько раз превосходит по своим объемам коммунальные и бытовые сточные воды. В зависимости от типа производства, в технических сточных водах могут содержаться ядовитые вещества, тяжелые металлы, болезнетворные бактерии и другие органические компоненты. [2]

Тепловые источники.

В большинстве своем, повышение температуры воды, которая выбрасывается во внешнюю среду, происходит в районе тепловых электростанций. Надо отметить, что в некоторых случаях пополнение озер и рек теплой водой из таких источников может приносить определенную пользу. [2]

Сельскохозяйственные источники.

Значительное количество плановых технических работ по орошению земель производится в сельском хозяйстве. Эти работы приводят к тому, что различные химические препараты (удобрения, пестициды, фунгициды, гербициды и др.) и органические отходы растворяются в воде и поступают в расположенные поблизости водоемы, ухудшая качество содержащейся в них воды. [15]

Загрязнение воды со временем увеличивается, т.к. вредные примеси имеют свойство накапливаться, а меры по очищению водоемов применяются редко.

При загрязнении пресных вод последствия не заставляют себя долго ждать: начинает гибнуть рыба и другие обитатели водоемов, появляется неприятный запах, водоем зарастает водорослями, начинает цвести, может появляться маслянистая пленка на поверхности воды, снижается количество кислорода в воде, могут образовываться вредные газы, тяжелые металлы и радиоактивные отходы могут стать причиной мутаций и раковых заболеваний. [13]

С развитием химической и особенно нефтедобывающей промышленности, загрязнение это начинает принимать угрожающий характер и, если не принимать защитных мер, может привести к гибели всего живого в морях и океанах, а затем, возможно, и на суше. [14]

Нефть и нефтепродукты

Наиболее распространенные загрязнители Мирового океана, поступающие в воду как в результате утечек при добыче нефти путем морского бурения, аварийных ситуациях при ее транспортировке танкерами, так и в результате промышленных и бытовых сбросов отходов в пресноводные водоемы, откуда с водой рек также поступает в Мировой океан. [16]

Еще одним источником загрязнения морей и океанов является распространенная практика промывки трюмов танкеров морской водой. В результате безответственных действий капитанов таких судов в прежние годы в Мировой океан сбрасывалось свыше 20 млн. баррелей нефти. Правда, в последние годы благодаря развитию систем спутникового слежения, большинство таких случаев уже не остаются безнаказанными и объем данного вида загрязнения океана сокращается. [20]

Нефть и нефтепродукты опасны тем, что, несмотря на свое органическое происхождение, данные вещества практически не перерабатываются океанскими микроорганизмами, образуют на поверхности пленку, которая, изменяя состав спектра проникающих в толщу воды солнечных лучей и затрудняя доступ кислорода, существенно изменяет условия существования океанских растений и животных и приводит к их массовой гибели. Ситуация усугубляется стабильностью этой пленки, убрать которую возможно только механическими средствами. [20]

Сточные воды

Появившись с возникновением человеческой цивилизации сточные воды поначалу оказывали даже положительное стимулирующее влияние на морские водоросли и рыбы, но с превращением этого источника загрязнения Мирового океана в мощные зловонные потоки, вырывающиеся из канализационных коллекторов современных городов. Чтобы просто подойти к этим современным клоакам, придется как минимум купить респиратор, а еще лучше противогаз. [9]
Проблема засорения сточными водами наиболее актуальна для прибрежных вод и внутренних морей. Так, исследования, проведенные в Северном море, показали, что около 65% обнаруженных в нем загрязнений принесены реками. Принимаемые в последнее годы развитыми странами усилия по обезвреживанию и разжижению сточных вод принесли некоторый эффект, но пока его явно недостаточно, здесь необходимы слаженные действия всех стран мира, особенно Китая и Индии и других азиатских стран, где бросать мусор в близлежащий водоем считается в порядке вещей…[14]

Мусорные пятна в Мировом океане

Рост потребления изделий из пластмассы в последние десятилетия создали уникальное и опасное явление в Мировом океане, получившее название “мусорные пятна”. Это огромные скопления кусочков отходов пластика, образовавшихся в результате сброса мусора из прибрежных зон континентов и с океанских лайнеров, располагающиеся в виде огромных пятен на поверхности океана. На сегодняшний день известны пять гигантских мусорных пятен – по два в Тихом и Атлантическом океанах и одно в Индийском. [14]

1.4 Влияние загрязнений на жизнедеятельность водных растений

В наше время качество воды стало проблемой волнующей всех. К сожалению, не все вещества, которые могут растворяться в воде, полезны или хотя бы безвредны для здоровья. Высокие концентрации веществ, содержащих железо, придают воде плохой вкус и вызывают нежелательные отложения в трубах. Соединения, содержащие серу, придают воде неприятный запах. Вещества, содержащие такие элементы, как ртуть, свинец, кадмий и мышьяк, могут растворяться в воде и даже в малых концентрациях опасны для здоровья людей. [1]

Даже солнечный свет может вызвать образование потанциально вредных веществ при освещении хлорированной воды, если она содержит некоторые примиси. [1]

Модельные загрязнения(искусственно приготовленные образцы) воды моделируют сточные воды с их типичными загрязнителями.

Синтетические моющие средства (СМС), в отличие от мыла, пригодны для стирки в воде любой жесткости. Поэтому их удобно использовать при машинной стирке белья. Состав СМС бывает разным, но почти в каждом из них присутствуют поверхностно-активные вещества, предназначенные для улучшения смачивания, удаления загрязнителей и удерживания их в растворе. [12]

Попадая в канализацию, содержащие СМС сточные воды затрудняют работу очистных сооружений, вызывают обильное образование пены. Накапливаясь в активном иле, СМС угнетающе действуют на развитие микроорганизмов. СМС и его компоненты наносят вред рыбам и другим гидробионтам. Особенно большой вред наносится планктонным и бентосным организмам, составляющим основу пищевых цепей в водоеме. Планктон погибает при содержании поверхностно-активных веществ 1-1,5 мг/л, рыбы – 3-5 мг/л. [9]

1.5Состояние вод в Нижегородской области

Географическое положение Нижнего Новгорода на месте слияния двух великих рек - Волги и Оки - лежит в основе неповторимого, индивидуального гидрологического характера, который формировался на протяжении тысячелетий.

Возвышенное Правобережье - нагорная часть города - прорезано многочисленными живописными оврагами, по тальвегам которых протекают малые водотоки: реки Кадочка, Старка, Кова, Рахма, Черная, Кудьма.
Гидрографию Низинного Заволжья в границах заречной части Нижнего Новгорода, в свою очередь, формируют малые реки Гниличка, Вьюница, Борзовка, Параша, Варя, Левинка, Ржавка, Хальзовка, Черная, а также Петряевский, Стрелочный, Сормовский, Сортировочный, Хмелевский, Шуваловский и Автозаводский каналы.
На территории города расположено множество озер и прудов, которые взяты под охрану, так как являются памятниками природы.
В нагорной части - это озера Щелковского хутора, озеро Святое, озеро Визовое, озеро Лебединое, озеро Сушки, озеро Нижние Сушки, озеро Гольнево, озеро Мелкое, озеро Жиголо, озеро Яма, озеро Рассохино, озеро Сазоново.

В заречной части - озеро-пруд на Вьюнице, пруд в пос. Гнилицы, озеро Земснаряд в Доскино, озеро Земснаряд в ПКиО, озеро у поселка Сортировочный, озеро Земснаряд - 2 соц. Город, озеро в пос. Парижской коммуны, озеро Счастливое, озеро Малышевское, озеро Бол. Телятево, озеро Головковское, озеро Светлоярское, озеро Сормовское парковое, озеро Лунское, озеро Пестичное, озеро Б. Петушково, озеро Песчаное, озеро Вторчермет, озеро Силикатное, озеро Мещерское, озера Бурнаковской низины, озеро Гурьяново. Для водоемов Нижегородского, Советского, Приокского районов города взяты средне-взвешенные показатели содержания элементов загрязнений в иловых отложениях р. Шавы и пруде в совхозе "Запрудновский" (Кстовский р-он), для заречных районов города "фоном" стали иловые осадки р. Везломы (Борский район) и Лесного озера (Балахнинский район). [11]

Чрезвычайно-опасное загрязнение имеют канал Шуваловский, р. Ржавка, озеро Счастливое, р. Борзовка, озеро в поселке Пар. Коммуны, р. Черная, р. Рахма. [11]

Опасное загрязнение донных отложений подвижными соединениями тяжелых металлов имеют озеро Земснаряд - 2 соц. город, озеро Бурнаковской поймы , озеро Б. Петушково, водоток у р. Оки (южнее р. Борзовка), озеро Сормовское, р. Кова, р. Старка, озеро Бурнаковской поймы, р.Параша.

Умеренно-опасное загрязнение имеют пруд в Гнилицах, озеро Земснаряд в ПКиО, озеро у пос. Сортировочный, озеро Малышевское, пруды у р. Кова, р. Левинка, канал Шуваловский, пруд на Вьюнице, озеро Бурнаковской поймы . [11]

Допустимое загрязнение имеют р. Волга, р. Ока, р. Хальзовка, озера Щелковского оврага, Копосовское, Силикатное, Больничное, Мещерское, Вторчермет, Пестичное, Солдатское, Светлоярское, канал у озера Песчаное, канал Шуваловский, пруд в Копосово. [11]

1.6 Меры очистки воды

Очистка сточных вод. Хотя сейчас многие промышленные предприятия пытаются очистить свои стоки или сделать производственный цикл замкнутым, а производство пестицидов и других токсичных веществ запрещено, самым радикальным и быстрым решением проблемы загрязнения воды будет строительство дополнительных и более современных очистных сооружений. [14]

Первичная (механическая) очистка. Обычно на пути потока сточных вод устанавливаются решетки или сита, которые улавливают плавающие предметы и взвешенные частицы. Затем песок и другие грубые неорганические частицы оседают в песколовках с наклонным дном или улавливаются ситами. Масла и жиры удаляются с поверхности воды специальными приспособлениями (нефтеловушками, жироловками и пр.). На некоторое время сточные воды перебрасываются в отстойники для осаждения мелких частиц. Свободноплавающие хлопьевидные частицы осаждают путем добавления химических коагулянтов. Полученный таким образом отстой, на 70% состоящий из органических веществ, пропускается через специальный железобетонный резервуар - метантанк, в котором он перерабатывается анаэробными бактериями. В результате образуются жидкий и газообразный метан, углекислый газ, а также минеральные твердые частицы. При отсутствии метантанка твердые отходы закапываются, сбрасываются на свалки, сжигаются (что приводит к загрязнению воздуха) или высушиваются и используются как гумус или удобрение. Вторичная очистка осуществляется в основном биологическими методами. Поскольку на первом этапе органические вещества не удаляются, на следующем - используются аэробные бактерии для разложения взвешенной и растворенной органики. При этом главная задача заключается в том, чтобы привести стоки в контакт с как можно большим числом бактерий в условиях хорошей аэрации, так как бактерии должны иметь возможность потреблять достаточное количество растворенного кислорода. Сточные воды пропускают через различные фильтры - песчаные, из щебня, гравия, керамзита или синтетических полимеров (при этом достигается такой же эффект, как и в процессе естественной очистки в русловом потоке, преодолевшем расстояние в несколько километров). На поверхности фильтрующего материала бактерии образуют пленку и разлагают органику сточных вод по мере их прохождения через фильтр, снижая таким образом БПК более чем на 90%. Это т.н. бактериальные фильтры. Снижение БПК на 98% достигается в аэротанках, в которых благодаря принудительной аэрации сточных вод и перемешиванию их с активным илом ускоряются естественные процессы окисления. Активный ил образуется в отстойниках из взвешенных в сточной жидкости частиц, не задержанных при предварительной очистке и адсорбируемых коллоидными веществами с размножающимися в них микроорганизмами. Другим методом вторичной очистки является продолжительное отстаивание воды в специальных прудах или лагунах (поля орошения или поля фильтрации), где водоросли потребляют углекислый газ и выделяют необходимый для разложения органики кислород. В этом случае БПК снижается на 40-70%, но требуются определенные температурные условия и солнечное освещение. [10]

Третичная очистка. Сточные воды, прошедшие первичную и вторичную очистку, еще содержат растворенные вещества, которые делают их практически непригодными для любых нужд, кроме орошения. Поэтому были разработаны и апробированы более совершенные методы очистки, предназначенные для удаления оставшихся загрязнителей. Некоторые из этих методов используются в установках, очищающих питьевую воду водохранилищ. Такие медленно разлагающиеся органические соединения, как пестициды и фосфаты, удаляются фильтрацией прошедших вторичную очистку сточных вод через активированный (порошкообразный) древесный уголь, либо добавлением коагулянтов, способствующих агломерации мелких частиц и осаждению образовавшихся хлопьев, либо обработкой такими реагентами, которые обеспечивают окисление. Растворенные неорганические вещества удаляются ионным обменом (растворенные ионы солей и металлов); химическим осаждением (соли кальция и магния, которые образуют налет на внутренних стенках котлов, цистерн и труб), смягчающим воду; изменением осмотического давления для усиленной фильтрации воды через мембрану, которая задерживает концентрированные растворы питательных веществ - нитратов, фосфатов и др.; выведением азота потоком воздуха при прохождении стоков через аммиачно-десорбционную колонну; и другими методами. В мире существует лишь несколько предприятий, которые могут проводить полную очистку сточных вод. [10]

ГЛАВА 2. Биоиндикация и фитоиндикация как методы оценки состояния окружающей среды.

Возрастающая с каждым годом деградация природной среды под влиянием антропогенных загрязнений создает угрозу выживаемости человечества. Современные технические средства контроля, разработанные в первую очередь для оценки степени загрязненности в промышленных условиях, – не единственные способы определения состояния природной среды. Биоиндикация в этом плане является оптимальным и активно развивающимся методом ее оценки. Он подразумевает слежение за природными и антропогенными процессами в биологических средах, включающее всю совокупность взаимодействия живого с агентами внешней среды, в том числе выяснение ответных реакций биосред на природные и антропогенные воздействия .

Биоиндикатор : группа особей одного вида или сообщество, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей .[17]

Биоиндикация используется при контроле загрязнения воздуха, воды, почвы, используется в сельском и лесном хозяйстве, при определении состояния береговых территорий больших и малых водоемов, водоочистных полей. [17]

Идею биоиндикации с помощью растений была сформулирована еще в I в. до н.э. «Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти» Луций Колумелла.

Растения представляют большой интерес в качестве эффективных объектов при биологическом мониторинге загрязнения окружающей среды. Они являются высокоинформативными индикаторами уровня доступных форм химических элементов в окружающей среде и основными источниками их для человека и животных.

Растения как биоиндикаторы проявляют дифференциальную чувствительность к различным видам антропогенных воздействий, помогают диагностировать негативные изменения в природной среде при низких концентрациях загрязняющих веществ. [17]

С помощью растений-биоиндикаторов принципиально возможно обнаруживать места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений, проследить скорость происходящих в окружающей среде изменений, также можно судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы и прогнозировать дальнейшее развитие экосистемы.

Преимущество методов биоиндикации перед физико-химическими методами является интегральный характер ответных реакций живых организмов, так как они суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом, выявляют наличие в окружающей природной среде комплекса загрязнителей. [8]

В условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в результате аккумуляции дозы. К примеру, некоторые пестициды достаточно быстро разлагаются, что не позволяет выявить их исходную концентрацию в почве физико-химическими методами. Но, если в качестве биоидикаторов взять растения, то это можно определить точно, так как они в первую очередь концентрируют пестициды даже при минимальном их содержании в почве. [19]

Основным антропогенным фактором, оказывающим стрессовое воздействие на растения, является нефтяное загрязнение. Нефть оказывает отрицательное влияние на рост, метаболизм и развитие растений, подавляет рост надземных и подземных частей растений, в значительной степени задерживает начало цветения. Загрязненные нефтью цветки редко образуют семена. [17]

Изучение адаптационных механизмов растений в ответ на действие нефти делает возможным выявление признаков, обеспечивающих устойчивость растений в условиях нефтяного загрязнения, с целью их использования в процессе разработки методов рекультивации и подборки для неё устойчивых к нефтяному загрязнению растений. Изучаемые признаки можно использовать как индикаторы для характеристики состояния почв при нефтяном загрязнении. [20]

Растения-биоиндикаторы способны также фиксировать скорость происходящих в окружающей среде изменений, указывать пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в организм человека.

Методы фитоиндикации по сравнению с физико-химическими методами позволяют интерпретировать данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока). Физико-химические методы не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации различных веществ разработаны лишь для человека. Эти показатели не могут быть распространены на живые объекты. С точки зрения охраны природы важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает фитоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. [19]

Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, а в частности фитоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды. Помимо того, актуальность фитоиндикации обусловлена простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды, поскольку в этом случае не требуются специальные лаборатории и высокая квалификация персонала. [17]

Фитоиндикация нередко точнее и объективнее, чем использование прямых физических и химических методов. Последние оценивают среду одномоментно, не отражают максимальные и минимальные значения отдельных неблагоприятных факторов в их воздействии на живые организмы, игнорируют их сочетания, тогда как фитоиндикация интегрирует все химические и физические стрессовые факторы и наиболее информативна при социально-гигиенических оценках пригодности природной среды для человека. [19]

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы:

– в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;

– суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;

– исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

– фиксируют скорость происходящих изменений;

– вскрывают тенденции развития природной среды;

– указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека;

– позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действие.

Биоиндикация растений в условиях техногенного загрязнения – актуальный и перспективный метод исследования состояния окружающей среды. Она позволяет существенно повысить точность прогнозов изменений в окружающей среде, вызванных деятельностью человека. [18]

Биоиндикаторы в полной мере отражают степень опасности соответствующего состояния окружающей среды для всех живых организмов, в том числе и для человека. Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Но, отражая степень негативного воздействия в целом, биоиндикация не объясняет, какими именно факторам оно создано. Следовательно, наиболее эффективно оценка окружающей среды может производиться сочетанием физических, химических и биологических методов мониторинга. [16]

С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биондикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные хар-ки фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы биологическими.ГЛАВА 3 Исследовательская часть

3.1 Материалы и методы

Методы исследования: моделирование экологической ситуации, наблюдение за водным растением, приготовление тонких срезов листовой пластинки водного растения и изучение их под световым микроскопом.

Материалы 10 пробирок, побег водного растения, раствор соляной кислоты (1:3), раствор гидроксида натрия (20%), раствор чистой воды и керосина, раствор синтетического моющего средства (порошок «Миф»), пресная вода, световой микроскоп. [12]

3.2Моделирование экологической ситуации

Ход исследования
1. В 10 пробирок налила 5 мл заранее приготовленного раствора и пронумеровала их:
* №1 - раствор соляной кислоты (1:3) (2 пробирки);
* №2 - раствор гидроксида натрия (20%) (2 пробирки);
* №3 - к 4 мл чистой воды налила 1 мл керосина (2 пробирки);
* №4 - раствор СМС (2 пробирки);
* №5 - контрольный раствор (чистая вода) (2 пробирки);
2. В пронумерованные пробирки поместила побеги водных растений (Эхинодоруса латифолиуса и хемиантуса микрантемоидеса купленных в зоомагазине ).
3. Наблюдала за изменениями, происходящими с растениями через определённые промежутки времени:
- через сутки;
- через 5 дней.
4.Рассмотрела клетки растения до и после исследования под световым микроскопом. Для исследования приготовила препараты тонких срезов мякоти листа водного растения. Рассматривала под увеличением в 160 и 640 раз.
5. Результаты исследования занесла в таблицу наблюдений, препараты тонких срезов мякоти листа зарисовала и сфотографировала.

3.3. Результаты исследования

Через сутки был произведен визуальный осмотр водных растений. Внешних изменений не произошло.

На 5 день исследования отметили внешние изменения водного растения под действием различных искусственных сред.

Среда

Результаты наблюдений за водным растением (внешний вид)

кислота

В 1 случае с эхинодорусом латифолиусом:

Жидкость осталась без изменений. Листья растения истончились. Стали более вялые, почти прозрачные, грязно-болотного цвета.

Во 2 случае с хемиантусом микрантемоидесом:

Раствор окрасился в розоватый цвет. Листья растения истончились. Стали более вялые, почти прозрачные, грязно-болотного цвета.

Щелочь

В 1 случае с эхинодорусом латифолиусом :

Раствор окрасился в зеленоватый цвет, появился осадок мутно – зеленого цвета. Растение поменяло цвет на темно – оливковый. Отметилось увядание листьев, изменение формы.

Во 2 случае с хемиантусом микрантемоидесом:

Раствор окрасился в жёлтоватый цвет. Листья стали почти прозрачные, желто-зеленого цвета. Отметилось увядание листьев, изменение формы.

Керосин

Жидкость осталась без изменений. Растение приобрело темно – зеленую окраску и прозрачность листьев. На поверхности раствора появились пузырьки газа (кислорода).

Синтетическое моющее средство

Раствор поменяла окрас на бело - голубоватый. На поверхности растения и на дне пробирки появился голубоватый налет. Листья уменьшились в размере, истончились, стали почти прозрачными, приобрели бледно – зеленый оттенок.

Контроль(чистая вода)

Внешне растение выглядит вполне здоровым, сохранило нормальный зеленый цвет, листья крепкие, сочные.

II. Внешние изменения водного растения под действием различных искусственных сред (на 5 день исследования).

Среда

Результаты наблюдений за водным растением(внешний вид)

кислота

Внутренние содержимое клеток буро – желтого цвета, оболочки большинства клеток сохранены, но сильно истончились. Внутреннее содержимое многих клеток разрушено, ядер не видно в поле зрения, единичные хлоропласты шарообразной формы разбросаны в цитоплазме.

Щелочь

Клетки округлой формы, внутреннее содержимое большинства клеток разрушено, цитоплазма окрасилась в зеленоватый цвет. Оболочки клеток не разрушены. В единичных клетках в поле зрения наблюдаются темные ядра, большинство клеток содержат небольшое количество округлых хлоропластов грязно – зеленого цвета

Керосин

Клетки мякоти листа деформированной формы, большинство содержит ядра и хлоропласты разнообразной формы. Цитоплазма клеток прозрачная, в некоторых местах цитоплазма отстает от мембраны клеток.

Синтетическое моющее средство

Результат наблюдения: У большинства клеток разрушено внутреннее содержимое, цитоплазма окрасилась в светло – зеленый цвет, ядра наблюдаются в лишь некоторых

Контроль (чистая вода)

Заключение

Исследуя, как влияют разные загрязнения воды на водные растения биоиндикаторы ,я сделала следующие выводы

Воздействие токсических веществ привело к значительной изменчивости морфо-физиологических показателей водного растения биоиндикатора.
Характерные изменения наблюдались как на организменном, так и на клеточном уровне.
Установлено воздействие токсических веществ привело к изменениям функциональных характеристик фотосинтетической системы, что выражалось в изменении количества и качества хлоропластов в растительной клетке.
Данные растения могут быть использованы в качестве биоиндикаторов загрязнений природных водных источников и при установлении предельно допустимых концентраций токсических веществ для различных водоемов.

Практическая и теоретическая значимость

Предложенный метод изучения действия токсических веществ на высшие водные растения может быть рекомендован для использования при установлении предельно допустимых концентраций токсических веществ для различных водоемов.

Сегодня нельзя не обращать внимания на проблему загрязнения водных объектов на территории Нижнего Новгорода, потому что это губительно сказывается на высших водных растениях, производящих кислород, от которых зависит жизнь обитающих в воде организмов, да и человека в том числе. Если не на нас, то на наших детях скажутся все последствия антропогенного загрязнения воды. Уже сейчас из-за загрязнения водоемов в России ежегодно погибает 20 тыс. человек. Примерно такое же число россиян ежегодно смертельно заболевает раком кожи в результате разрушения озонового слоя в стратосфере. Вследствие проживания в опасно отравленной среде обитания распространяются раковые и другие экологически зависимые заболевания различных органов. Поэтому, эту проблему надо решать как можно скорее пересмотрев проблему очищения промышленных сбросов.

Список использованной литературы

1. Г. В. Стадницкий, А. И. Родионов. «Экология».

2. Е. М. Сергеев, Г. Л. Кофф. «Рациональное использование и охрана окружающей среды городов.»

3. Государство и право - №1 (стр. 100-119), 1997.

4. Правда-5/ кандидат геогр. наук С. Голубчиков «Журчание лесного ручья заменить будет нечем»/ 28 марта-4 апреля (стр. 6), 1997.

5. Экономист/№8 (стр. 14-28), 1997. 6. Рос. вести/13 апреля (стр. 13), 1996 (экология и здоровье)

7. Государственный доклад о состоянии окружающей среды в г. Москве /1992 г.

8. В. В. Плотников «Введение в экологическую химию», 1989. 9. Беспамятнов Г. П., Кротов Ю. А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде Л.: Химия 1987.

10. Жуков А. И., Монгайт И. Л., Родзиллер И. Д.

9. Методы очистки производственных сточных вод М.: Стройиздат.

11.http://www.ecologynn.ru/win/water.html

12.Муравьев А.Г., Пугал Н.А., Лавров В.Н. Экологический практикум: Учебное пособие с комплексом карт-инструкции /Под ред. к.х.н. А.Г. Муравьева.- СПб.: Крисмас+, 2003. – 176 с.: ил.

13.Фюрон Р. Проблема воды земном шаре. Л., 1966

14.Львович А.И. Зашита вод от загрязнения. Л.,1977

15.Контроль химических и биохимических параметров окружающей среды(Энциклопедия «Экометрия»)/ Под ред. Л.К. исаева.-СПб.: Крисмас+,1998.

16.Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / под ред. Р. Шуберта. – М.: Мир, 1988. – 350 с.

17.Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учебное пособие для студ. высш. учеб. Заведений/ О.П. Мелехова, Е.И. Сарапульцева, Т.И. Евсеева и др; под ред. О.П. елеховой и Е.И. Сарапульцевой. - 2-е издание, испр. - М.:Издательский центр «Академия», 2008
18.Биологические методы оценки природной среды/Под редакцией Н.Н. Смирнова - М.: издательство «Наука»,1978 г.

19. Безель В.С., Жуйкова Т.В. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов наземной фитомассой травянистой растительности // Экология? 2007. – № 4. – С. 259-267.

21. Макеева Т.И., Никонова Г.Н. Оценка антропогенной нагрузки на территории по показателям стабильности развития растений // Проблемы и пути их решения: научно-практическая конференция, Москва, 30-31 окт., 2002. Материалы конференции. М., 2002. - С. 201-207.

Приложения

Таблица 1 Результаты наблюдений за водным растением на организменном уровне.

В 1 случае с эхинодорусом латифолиусом:

Во 2 случае с хемиантусом микрантемоидесом:

Щелочь

В 1 случае с эхинодорусом латифолиусом :

Во 2 случае с хемиантусом микрантемоидесом:

Керосин

Синтетическое моющее средство

Контроль(чистая вода)

Внешне растение выглядит вполне здоровым, сохранило нормальный зеленый цвет, листья крепкие, сочные.

Таблица 2 Результаты наблюдений за водным растением на клеточном уровне.

Щелочь

Керосин

Синтетическое моющее средство

Контроль(чистая вода)

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис. 4

Рис.5

Рис.6 Хемиантус микрантемоидес

Начало эксперимента

произведение визуального осмотра водных растений через сутки (рисунок 4-5)

Рис.7 8 Рис. 8

Рис.9

Рис.10

Рис.11

Приготовление препаратов тонких срезов мякоти листьев водных растений (рисунок 9-11)

Наблюдение под световым микроскопом (рисунок 1-3,7-8)

Рис.12

Рис.13

Рис.14

Рис.15

Рис.16

Внешний вид клеток под микроскопом (рисунок12-16)

Рис.17

Рис.18

Рис.19

Рис.20

Рис.21

Рис.22

Визуальный осмотр Эхинодоруса латифолиуса на 5 день

( рисунки17-22)

Рис.23 Рис.24 Рис.25

Рис.26

Визуальный осмотр

Хемиантуса микрантемоидеса на 5 день (рисунки 23-27)

Рис.27

Рис.28 Приготовление

Рис.29

Рис.30

Рис.31 Тонкий срез Хемиантуса микрантемоидеса в растворе соляной кислоты

Рис.32 Тонкий срез Хемиантуса микрантемоидеса в растворе щелочи

Рис.33 Тонкий срез Хемиантуса микрантемоидеса в растворе содержащем керосин

Рис 34 Тонкий срез Хемиантуса микрантемоидеса в растворе синтетического моющего средства

Рис.35 Тонкий срез Хемиантуса микрантемоидеса в контрольном растворе