Экологически чистые зоны города и его окрестностей

Под здоровьем среды понимают качество среды, необходимое для поддержания здоровья человека и других живых существ. В данной работе для оценки этого качества используется методика В. М. Захарова (3; с. 65). Сущность ее сводится к оценке стабильности развития живых организмов по морфологическим признакам.

В основе метода лежит следующая закономерность: в оптимальных для существования вида условиях наблюдается наименьший уровень фенотипических отклонений от нормы. Любые стрессовые воздействия вызывают появление отклонений от нормального строения различных морфологических признаков по причине нарушения индивидуального развития. Последствия этих нарушений могут быть оценены по величине показателей асимметрии, то есть незначительных отклонений от совершенной биотеральной симметрии. Пластические (мерные) признаки используют для оценки стабильности развития разнообразных объектов. К примеру, растения оценивают по линейным размерам листовой пластинки; насекомых – по промерам параметров жилкования крыльев; земноводных – по анализу окраски левой и правой частей тела и т. д.

В данной работе анализ стабильности развития проводится на примере широко распространенного вида – березы повислой (Betula pendula).

Цель: провести численную оценку асимметрии листовых пластинок березы повислой в нескольких районах города Барабинска и на основе этого показателя определить качество здоровья среды для данного вида.

Задачи:

1. познакомиться с влиянием промышленных предприятий на окружающую среду г. Барабинска.

2. познакомиться с морфологическим описанием берёзы повислой (Betula pendula);

3. исследовать признаки ассиметрии листьев берёзы повислой в разных районах города;

4. рассчитать балл стабильности развития;

5. проследить зависимость изменения строения листа берёзы повислой от климатических и антропогенных условий.

Для решения поставленных задач мы изучили книжные издания:

Миркин Б. М. , Наумова Л. Г. Экология России 1996 год.

Ашихмина Т. Я. Школьный экологический мониторинг. М. : Агар, 2000 -385с.

Зверев В. Экология, М. Вентана-Граф, 2000-120 с.

Кузнецов М. А. Полевой практикум по экологии. М. , 1994, 68 с.

Шадрина Е. Г. , Вольперт Я. Л. , Данилов В. А. Шадрин Д. Я. Биоиндикация воздействия горнодобывающей промышленности на наземные экосистемы Севера. Новосибирск: Наука, 2003. 105 с.

Актуальность:

Очень важно иметь интегральный критерий, который показывает, как действует на организм данная среда в целом. Это позволит сохранить ненарушенные территории и выявить территории, где необходимо принимать меры для улучшения экологической ситуации. Таких критериев можно предложить много, но наиболее перспективными и доступными являются биологические методы оценки состояния среды, оценка с помощью биоиндикаторов. Один из таких методов - исследование асимметрии живых организмов, в частности, растений.

Новизна:

Впервые для оценки экологического состояния лесов г. Барабинска использована данная биоиндикационная методика.

Данная проблема с применением данной методики была использована для изучения окружающей среды в республике Башкирия и Саха в районе Приуралья России.

Особенности распространения промышленных предприятий по территории города

Проанализировав схему распространения промышленных предприятий по территории города мы выделили 4 промзоны: южную, юго-западную, восточную и транспортно-промышленную.

В южной промзоне расположены Барабинская ЛПДС, Барабинское предприятие по обеспечению нефтепродуктами. В восточной расположен комбикормовый завод, рыбозавод, АО «Барабинское» и др. В пределах юго-западной площадки расположены предприятия «Марс», производственные помещения муниципального предприятия жилищно-коммунального хозяйства и другие. Транспортно-промышленная зона расположена непосредственно в центре города и включает предприятия по обслуживанию железнодорожного транспорта и непосредственно железной дороги (локомотивное депо, вагонное депо, дистанцию пути и т. д. ). Промышленная зона старой закладки – восточная расположена благоприятно для жилой части города. Дело в том, что при преобладающих направлениях ветра, выбросы предприятий этой промзоны будут выноситься за пределы жилой зоны города. С другой стороны юго-восточная и южная площадки расположены крайне невыгодно с этой точки зрения, так как преобладающие ветра в городе южные, юго-западные и восточные. Значит выбросы предприятий этих промзон направлены большую часть года прямо в центр города.

Предприятия транспортно-промышленной зоны расположены непосредственно в центре города, здесь же находятся две наиболее крупных котельных – центральная районная котельная и котельная завода «Промсвязь». Эти промышленные предприятия находятся непосредственно в окружении жилых кварталов. Расположение части источников загрязнения в городской черте значительно усугубляет воздействие предприятий на атмосферу города.

Есть предприятия, которые находятся в селитебной зоне города. Их нельзя отнести ни к одной из промышленных зон, это такие предприятия как швейная фабрика, горпищекомбинат. И хотя выбросы этих предприятий незначительны, само их расположение в непосредственной близости от жилых построек усугубляет их роль в загрязнении атмосферного воздуха в городе.

Санитарно-защитные зоны у многих предприятий не выдержаны и зачастую промышленные комплексы примыкают вплотную к жилым домам. Помимо этого следует учесть тот факт, что жилой фонд города представлен на 58 % государственным сектором и на 42% частным сектором. При этом практически весь государственный сектор тяготеет к центру города. Значит, большая часть котельных также расположена ближе к центру города, среди жилых кварталов. Итак, анализируя структуру размещения предприятий города Барабинска, необходимо отметить, что основное их количество расположено таким образом, что выбросы этих предприятий направлены большую часть года на жилые кварталы города. А так как многоэтажные здания, застроен центр города, снижают эффективность турбулентного перемешивания масс и способствуют накоплению вредных примесей в приземном воздушном слое, то в густо заселённой зоне создаются наиболее неблагоприятные с экологической точки зрения условия для проживания населения.

Связь промышленых предприятий города Барабинска с природной средой

Промышленные предприятия, являющиеся основными источниками загрязнения, сосредоточены в городской черте, то есть на относительно небольшой площади. Зимой, когда наиболее напряжено работают котельные, в атмосферу города попадает максимальное количество загрязняющих веществ. Именно в этот период наиболее часто наблюдаются неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению вредных примесей в приземном слое атмосферы (большое количество дней со средней скоростью ветра 0-1 м/сек. , часто повторяющиеся температурные инверсии). Ассимилирующая способность атмосферы может быть охарактеризована потенциалом рассеивания атмосферы (ПРА).

ПРА=(Рв + Рт)*(Ро + Рвв), где Р – повторяемость метеоэлементов, Рв – скорость ветра 0-1 м/сек. Рт – дней с туманом, Ро – дней с осадками, Рвв – скорость ветра более 6 м/сек. Чем выше значение ПРА, тем хуже условия для рассеивания вредных примесей в атмосфере. Для г. Барабинска эта величина составляет 0,3 летом и 0,5 зимой. То есть создаются неблагоприятные условия для их рассеивания.

Влияние факторов среды на физиологические процессы растения

Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если рассматривать наиболее важные загрязняющие воздух вещества с точки зрения их потенциальной опасности для растительности, то ведущую роль здесь займет SO2, благодаря своему широкому распространению и своей потенциальной фитотоксичности. Видимыми проявлениями выбросов SO2 на высшие растения являются: некроз обесцвечивание, штриховатость, хлороз листьев, изменение режима роста.

Процесс определения природы и особенностей появления болезненного состояния живого организма называется диагностикой. Описание симптомов – особенно важный элемент и средства диагностики. Появление симптомов – результат действия физических или биологических агентов, вызывающих стресс. Но независимо от характера стресса, потеря зеленого пигмента листа является первым показателем нарушения нормальной жизнедеятельности растений. Зеленый цвет выцветает, и все части листа становятся хлоротическими или пожелтевшими, то есть хлороз захватывает все части листа.

В связи с ослаблением функций тканей они становятся некротическими, приобретают оттенки коричневого цвета.

Обычно различают два типа видимых повреждений листьев: острые и хронические. Острое поражение листьев происходит при кратковременном воздействии высокими концентрациями загрязняющих веществ. В этом случае у растений появляются некротические или обесцвеченные участки листа. Хронические же поражения вызываются многократными выбросами сублетальных концентраций загрязнителя и обычно проявляются в виде хлороза листьев. Поражение листьев начинается с проникновением загрязняющего вещества в лист и последующего его воздействия на различные клеточные процессы, в том числе и ростовые. Поэтому основной интерес вызывает изменения органов ассимиляции, которые вследствие интенсивного газообмена, в основном, и абсорбируют загрязняющими вещества. (4; с. 21).

Результаты влияния антропогенных факторов среды на состояние растений занесены

Влияние антропогенных факторов на жизнедеятельность растений

Загазованность проникая через устьица листьев и чечевички коры вредные химические вещества проникают в растения и нарушают обмен веществ, угнетают клетки

Задымленность и запылённость воздуха мелкие грязевые частицы препятствуют газообмену и фотосинтезу

Засоление почвы изменение водно-солевых характеристик почвы ведет к физиологическим нарушениям, гибели растений

Асфальтирование, уплотнение и каме нарушает газообменный и водный режимы и ведет к генетическим и физиологическим изменениям.

нистость почвы

Подземное воздействие на корневую системувибрации и излишнее тепло от теплоцентралей угнетают растения.

Неправильные и стихийные посадки деревья утрачивают естественную форму кроны, посадки характеризуются горизонтально- сомкнутыми кронами и не дают солнечным лучам проникнуть к земле; посадки теряют свою защитную функцию.

Освещение в ночное время нарушает естественные суточные ритмы.

Морфологическое описание объекта исследования

Берёза бородавчатая, или повислая — Betula pendula Roth (В. verrucosa Ehrh. ) Дерево высотой до 20 м с широко яйцевидноконической кроной и часто свисающими побегами. Кора белая, гладкая, на старых деревьях в нижней части ствола глубокотрещиноватая. Молодые побеги красновато-бурые, покрыты многочисленными смолистыми шершавыми бородавками — восковыми железками, у взрослых деревьев побеги с единичными железками, голые. Верхушечные и боковые почки закладываются на побегах текущего года летом и распускаются весной. Древесина желтовато-белая, сравнительно плотная и довольно тяжёлая.

Листья имеют яйцевидно-ромбическую форму. Острые, к основанию становящиеся клиновидными. Гладкие и двояко-зубчатые. Молодые листья клейкие и имеют черешки длиной 2-3см.

Соцветия — женские цилиндрические сережки длиной 2,5-3 см с зеленовато-бурыми реснитчатыми по краю чешуйкам. Диаметр рыльца 0,3-0,4 мм. Цветение в мае.

Плод — орешек продолговато-эллиптической формы, крылья которого в 2-3 раза шире орешка, выдающиеся кверху до уровня рылец и образующие клиновидную выемку. Плодоносит, в зависимости от погоды, с июля до конца осени.

Распространение. Светолюбивое дерево, составляющее основу вторичных мелколиственных лесов, формирующихся на месте сведенных коренных лесов из ели, дуба и др. Часто входит как примесь в таежные и широколиственные леса. Береза легко занимает гари, пустоши, заброшенные пашни и обочины дорог, благодаря распространению семян с помощью ветра. В лесостепной зоне Сибири встречаются характерные "березовые колки" (лески).

Ареалом растения считается в России — европейская часть страны, Западная Сибирь, Алтай, Кавказ и Дальний Восток (за исключением крайнего северо-востока), а за границей — Западная Европа, Средняя Азия, Монголия, Китай, Корея и Япония.

Береза поникшая имеет на листьях более толстую кутикулу, которая представляет собой неклеточную плотную жироподобную пленку, полностью покрывающую эпидермис. Благодаря этой особенности у нее повышенная устойчивость к веществам, выбрасываемым в атмосферу промышленными предприятиям, таким как сернистый газ и другим. Поэтому береза поникшая успешно выращивается в городах с неблагоприятной экологической обстановкой.

БИОИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКОЙ ЭКОСИСТЕМЫ ПО ЛИСТЬЯМ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ

Учеными отмечено, что экологическая ситуация в любом городе, может кардинально изменится не только за продолжительное время, но и за считанные часы, так как интенсивность выбросов предприятиями отходов в атмосферу, или в водоем иногда катастрофически увеличивается. Поэтому необходимо вести регулярное наблюдение за состоянием экосистем и их элементов. Такие постоянные наблюдения называются экологическим мониторингом (от латинского слова «монитор» - тот, кто напоминают, предупреждает). (5; с. 42).

Методы оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем часто называют биоиндикацией (лат. - indicare - указывать). В соответствии с этим, организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называют биоиндикаторами. При биоиндикации изменения биологической системы всегда зависят как от антропогенных, так и от природных факторов среды. Эта система реагирует на воздействие среды в целом в соответствии со своей предрасположенностью, то есть такими внутренними факторами, как условия питания, возраст, генетически контролируемая устойчивость и уже присутствующими нарушениями. Существуют различные формы биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации. Если биоиндикатор реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором. Аккумулятивные биоиндикаторы, напротив, накапливают антропогенное воздействие большей частью без быстро проявляющихся нарушений. Для биоиндикации пригодны в основном два метода - пассивный и активный мониторинг. В первом случае у свободно живущих организмов исследуются видимые или незаметные повреждения или отклонения от нормы, являющиеся признаками стрессового воздействия. При активном мониторинге пытаются обнаружить те же самые воздействия на тест - организмах, находящихся в стандартизированных условиях на исследуемой территории. (3; с. 14).

Используемые для целей экомониторинга виды-биоиндикаторы отвечают следующим требованиям:

-являются доказательно исследованными;

- методически хорошо отработаны;

- имеют адекватный отклик измеряемых параметров на изменение экологической ситуации;

- обладают достаточной чувствительностью;

- зарекомендовали себя как виды-биоиндикаторы в аналогичных исследованиях;

- широко распространены по всей обследуемой территории, являются массовыми видами;

- удобны для сбора (коллекционирования);

- удобны для обработки и хранения;

- имеют четкие (заметные) и удобно читаемые изменяющиеся признаки, удобные для замеров в практической работе. (4; с. 35).

Заслуживает внимание индикаторная роль растений. Наблюдая за растениями, человек еще в глубокой древности усваивал ориентиры в пространстве и времени – растения, верно, служили ему вместо компаса. Некоторые растения довольно точно показывали человеку время суток. Другие растения выполняли функцию барометра и гигрометра, являлись индикаторами пресных и соленых вод. В настоящее время растения – индикаторы используют в своих исследованиях и практической деятельности геологии, гидрологии, землеустроители, почвоведы, климатические экологи, лесоводы, археологи и др. Например, с помощью растений удается обнаружить кимберлитовые трубки, скрывающие алмазы. Растения могут служить индикаторами плодородия почв. (6; с. 31)

Оценка здоровья среды для берёзы повислой путём анализа стабильности развития

1. Возьмите образцы листовых пластинок с березы в количестве 120-130 штук.

2. Из взятых образцов выберите 100 наиболее сохранных (имеющих минимум повреждений).

3. На правой стороне листовой пластинки с помощью штангенциркуля выполните измерения следующих признаков:

• признак № 1 – ширина листовой пластинки в средней ее части;

• признак № 2 – длина второй от основания жилки;

• признак № 3 – расстояние между концами первой и второй жилок.

Все измерения проводите с точностью до миллиметра.

4. Повторите те же измерения на левой стороне той же пластинки.

5. Результаты запишите (где “L“ и “R” – значения признака на левой и правой сторонах пластинки, соответственно).

6. Повторите действия 3 и 4 для всех отобранных образцов.

7. Для каждого образца определите показатель “А” – число асимметричных признаков.

8. Рассчитайте сумму асимметричных признаков для всех 100 образцов ((А).

9. Для каждого образца определите показатель “A/n” – частоту асимметричного проявления признаков. Для этого число асимметричных признаков “А” разделите на количество меристических (счетных) признаков “n” (в данной работе n = 3).

10. Рассчитайте сумму частот асимметричного проявления признаков ((A/n).

11. Определите величину асимметрии в выборке, то есть среднюю частоту асимметричного проявления признаков (Х по формуле:

(Х = ( (A/n)/m, где “m” – число листовых пластинок.

12. Определите балл стабильности развития. Сделайте вывод о качестве здоровья среды и проанализируйте возможные причины его ухудшения. (Чем меньше балл стабильности развития, тем реже проявляется асимметрия у организма в биотопе, и, соответственно, тем меньше он подвергается различным стрессовым воздействиям).

Балл стабильности развития Средняя частота асимметричного проявления признаков ((Х)

I ( 0,50

II 0,50 – 0. 54

III 0,55 – 0,59

IV 0,60 – 0,64

V ( 0,64

Данную методику можно использовать для многолетнего мониторинга развития природных объектов на одной и той же модельной площадке. Неизменность показателей в одной точке на протяжении ряда лет будет свидетельствовать о поддержании состояния живого организма примерно на одном уровне.

Использование балльной шкалы возможно не только для фонового мониторинга, но и для оценки последствий разных видов антропогенного воздействия.

Описание выполнения исследований

Учитывая все вышеуказанные факты и материалы, в экспериментальной части были выбраны следующие объекты исследования: Береза повислая (Betula pendula).

8 сентября 2006 года согласно выбранной методике было собрано:

➢ 100 образцов листьев Березы повислой (Betula pendula) в окрестностях г. Барабинска: в западной части города (участок № 1), в южной части города (участок № 2), центральная часть города Барабинска (участок № 3), в районе рынка (участок № 4) район ПМС (участок № 5)в районе котельной на улице Юбилейной (участок № 6). В общей сложности обработано 600 листовых пластинок. Результаты измерений приведены.

Расчет статистических показателей стабильности развития с использованием меристических (счетных) признаков.

Участок №1 (западная часть города)

Контрольная точка Величина асимметрии ((Х) Показатель стабильности развития, в баллах

Участок №1 (западная часть города)0,69 V

Вывод: из наших расчетов по формуле Х=∑ (А/n) /m, мы узнали, что уровень стабильности для берёзы повислой = 0,69, этот коэффициент больше V баллов стабильности развития, т. к. район обследования находится близ города, есть незначительная подверженность антропогенным воздействиям: выхлопные газы близ автомобильной трассы, промышленного предприятия. Данная часть города также используется как рекреационная зона. Также на уровень стабильности повлияли абиотические факторы: суровая зима, перепад температур в течение лета. Следовательно, в районе западной части г. Барабинска мы наблюдаем нестабильность развития берёзы повислой, что показали и математические расчёты.

Участок № 2 (южная часть города)

Контрольная точка Величина асимметрии Показатель стабильности

((Х) развития, в баллах

Участок №2 (южная часть города) 0,55 III

Вывод: из наших расчетов по формуле Х=∑ (А/n) /m, мы узнали, что уровень стабильности для берёзы повислой = 0,55, что соответствует третьему баллу стабильности. Коэффициент стабильности средний есть незначительная подверженность антропогенным воздействиям: выхлопные газы близ автомобильной трассы. Организованны несанкционированные свалки. Также на уровень стабильности повлияли абиотические факторы: суровая зима, перепад температур в течение лета. Следовательно, в районе южной части г. Барабинска мы наблюдаем нестабильность развития берёзы повислой, что показали и математические расчёты.

Участок № 3 (центральная часть города ул. Карла Маркса)

Контрольная точка Величина асимметрии ((Х) Показатель стабильности развития, в баллах

Участок № 3 (центральная часть 0,65 V

города ул. Карла Маркса)

Вывод: из наших расчетов по формуле Х=∑ (А/n) /m, мы узнали, что уровень стабильности для берёзы повислой = 0,65, это больше чем V коэффициент стабильности развития, т. к. район обследования находится в центре города, есть незначительная подверженность антропогенным воздействиям: выхлопные газы (на обочине автомобильной трассы),. Также на уровень стабильности повлияли абиотические факторы: суровая зима, перепад температур в течение лета. Следовательно, в центральном районе г. Барабинска мы наблюдаем нестабильность развития берёзы повислой, что показали и математические расчёты.

Участок № 4 (район рынка)

Контрольная точка Величина асимметрии ((Х) Показатель стабильности развития, в баллах

Участок № 4 (район рынка) 0,67 V

Вывод: из наших расчетов по формуле Х=∑ (А/n) /m, мы узнали, что уровень стабильности для берёзы повислой = 0,67, это больше, чем V коэффициент стабильности развития, т. к. район обследования находится в черте города, есть незначительная подверженность антропогенным воздействиям: вблизи находится железная дорога, с двух сторон обследуемый участок находится вблизи автомобильных трасс, следовательно во много раз увеличиваются промышленные выбросы. Также на уровень стабильности повлияли абиотические факторы: суровая зима, перепад температур в течение лета. Следовательно, районе рынка мы наблюдаем нестабильность развития берёзы повислой, что показали и математические расчёты.

Участок №5 (ПМС)

Контрольная точка Величина асимметрии ((Х) Показатель стабильности развития, в баллах

Участок №5 (ПМС) 0,8 V

Вывод: из наших расчетов по формуле Х=∑ (А/n) /m, мы узнали, что уровень стабильности для берёзы повислой = 0,8,этот коэффициент больше V баллов стабильности развития, т. к. район обследования находится близ железнодорожных путей, автомобильной трассы, промышленного предприятия. Также на уровень стабильности повлияли абиотические факторы: суровая зима, перепад температур в течение лета, данные выводы нам позволили сделать математические расчёты.

Участок № 6 (район котельной по ул. Юбилейная)

Контрольная точка Величина асимметрии ((Х) Показатель стабильности развития, в баллах

Участок № 6 (район котельной по 0,67 V

ул. Юбилейная)

Как видно из данных, балл показателя стабильности развития равен 0,67 , он больше V балла стабильности, что говорит о том, что береза повислая испытывает на себе большое стрессовое воздействие со стороны окружающей среды. На наш взгляд этому результату есть вполне логичное объяснение. Дело в том, что зима 2006г. ода была очень суровой (по температурному режиму – t (была очень низкая (max= - 400 С, снега очень мало, а также участок подвергается антропогенному воздействию, так как с южной стороны проходит автодорога. Следовательно, береза повислая испытывает воздействие шумового загрязнения, вибрации и загрязнения выхлопными газами автомобильного транспорта, а также на берёзу повлияло непосредственная близость котельной, которая могла повлиять на стабильность развития листовых пластинок.

Изучив экономическую карту г. Барабинска и его окрестностей, мы выявили четыре промышленные зоны и объекты, оказывающие влияние на загрязнение окружающей среды. Из анализа промышленных объектов мы выбрали шесть участков, на которых произрастает берёза повислая. Исследования признаков ассиметрии листьев берёзы повислой на пробных площадках показали, что в данных районах присутствуют антропогенные загрязнения в различных формах (промышленные предприятия, выхлопы котельных, автомобильное и шумовое загрязнение), а также оказывают влияние абиотические факторы (температура, направление ветра, количество осадков).

Данная диаграмма наглядно подтверждает, что показатель стабильности развития берёзы повислой различен, самый высокий в листьях берёзы, находящейся в городской черте, вблизи промышленных объектов и испытывающие на себе антропогенное воздействие. Низкий – в южной части города, где практически отсутствуют промышленные предприятия и автодороги с интенсивным движением, но на берёзу большое влияние оказали абиотические факторы.

Таким образом, незначительное воздействие на окружающую среду изменения природных условий ведёт к её ухудшению.

Наше исследование помогло выявить наиболее экологически чистые зоны города и его окрестностей, которые можно использовать в рекреационных целях. Для зоны отдыха мы предлагаем участок № 2 (южная часть города).