Станция юных натуралистов

Атмосфера

Поговорка «необходим как воздух» не случайна. Народная мудрость не ошибается. Без пищи человек может прожить 5 недель, без воды – 5 суток, без воздуха – не более 5 минут!

В большинстве городов воздух тяжелый. То, чем он засорен, на ладони не ощутить, глазом не увидеть. Однако ежегодно на головы горожан падает в среднем до 100 кг загрязняющих веществ, это - твердые частицы (пыль, зола, сажа), аэрозоли, выхлопные газы, пары, дым и др. Многие вещества в атмосфере вступают в реакции между собой, образуя новые, часто еще более токсичные соединения.

Среди веществ, вызывающих химическое загрязнение городского воздуха, наиболее распространены оксиды азота, серы, угарный газ, углеводороды, тяжелые металлы.

Физическое загрязнение атмосферы происходит от влияния электромагнитных полей и шума. Уровень шума от движения машин по центральным магистралям крупных городов достигает 70-85дБ, в то время как допустимая норма составляет всего 40 дБ, то есть наблюдается превышение уровня шума почти в 2 раза.

Загрязнение воздуха отрицательно сказывается на состоянии здоровья людей, на животных и растениях. Механические частицы, дым и копоть, содержащиеся в воздухе, вызывают легочные заболевания. Угарный газ, поступающий с выбросами автомобилей, а так же и с табачным дымом, приводит к кислородному голоданию организма, поскольку связывает гемоглобин крови. В выхлопных газах содержатся соединения свинца, вызывающие общую интоксикацию организма. Повышенный уровень шума увеличивает давление, вызывает раздражительность, снижает слух.

Основными источниками загрязнения атмосферы в городах являются автотранспорт и промышленные предприятия.

На территории Белгородской области (по результатам приземных исследований и космическим снимкам) выделяется две зоны хронического загрязнения воздушного бассейна (Петин А. Н. и др. , 2002). Первая площадью около 900 кв. км расположена на севере области, где фоновые значения превышены в два и более раза. На ней выделяется пятно площадью в 170 кв. км, где загрязнение превышает фоновые значения в 10 раз. Эта зона приурочена к городам Губкин, Старый Оскол и их окрестностям. Вторая зона загрязнения выделяется вокруг Белгорода. При этом более половины выбросов от стационарных источников приходится на Старый Оскол, на наш город приходится 20 % всех выбросов.

На экологическое состояние нашего города большое влияние оказывает расположенный рядом карьер Лебединского горно-обогатительного комбината. При взрывах в атмосферу поступает большое количество выбросов железорудного концентрата. Химические загрязнители: оксиды азота и серы, угарный газ и другие токсические вещества, выбрасываются автотранспортом и промышленными предприятиями, расположенными как в черте города, так и за его пределами. Физические загрязнения вызывают электромагнитные поля и шумы.

Губкин - один из красивейших городов России, однако проблемы экологии здесь стоят очень остро. Поэтому мы провели исследовательскую работу по изучению оценки качества воздуха и состояния зеленых насаждений, которым принадлежит важная роль в оздоровлении экологической обстановки города.

Актуальность выбранной для исследования темы определяется важностью проблемы экологического состояния воздуха города, в том числе и территории школы.

Целью данной работы является оценка состояния атмосферного воздуха на прилегающей к школе территории с использованием методов физико-химического и биоиндикационного анализа.

Для выполнения поставленной цели нам необходимо было решить следующие задачи:

определить содержание ионов тяжелых металлов в пробах дождевой воды и листьев, взятых на территории школы и в районе ее расположения;

определить кислотность атмосферных осадков;

оценить автотранспортную нагрузку в исследуемом районе и рассчитать количество вредных выбросов, производимых автомобилями;

провести оценку степени загрязнения воздушной среды методом лихеноиндикации;

на основании полученных результатов сделать заключение о состоянии атмосферного воздуха города и в районе школы №16.

Обзор литературы.

Белгородская область в настоящее время и в перспективе ориентирована на развитие горнорудной промышленности. Влияние предприятий этой отрасли существенно осложняет экологическую обстановку в регионе. Разработка руд открытым способом стала вторжением в природный комплекс территории, вызвав ряд острейших проблем. Так для предварительного разрушения железистых кварцитов и вмещающих скальных пород проводятся взрывные работы. О масштабах этих работ говорит тот факт, что ежегодно на них расходуется более 30 тысяч тонн взрывчатых веществ! В то же время только один массовый взрыв в карьере может рассеивать в радиусе 3-4 км до 800 т пыли и до 700 куб. м газов. К выбросам пыли при взрывах добавляется и пыление незадернованных отвалов. Вокруг промышленной площади Лебединского ГОКа на удалении 150 и 300 м ежегодно оседает пыли соответственно 607 и 469 кг/га. Средние многолетние выбросы пыли и вредных газов оцениваются примерно в 30 тыс. т/год. Высокие концентрации пыли ведут к угнетению и гибели растительности, росту заболеваний верхних дыхательных путей у людей.

В настоящее время наблюдается активное химическое загрязнение воздушного бассейна области. Источников искусственного загрязнения атмосферы в области много. Кроме уже названных работ в карьерах, это деятельность промышленных и коммунальных предприятий, транспорт, сжигание различных видов топлива на тепловых электростанциях, сельскохозяйственные и околодорожные палы и др.

По данным государственного комитета по охране окружающей среды Белгородской области так называемые стационарные источники, т. е. предприятия, ежегодно выбрасывают в атмосферу области более 80 тыс. т загрязняющих веществ. В то же время выбросы от передвижных источников (автотранспорта) составляют около 251 тыс. тонн. Таким образом, основным источником загрязнения воздуха области является автотранспорт, дающий более 70 % всех выбросов в области.

Среди стационарных источников загрязнения лидируют предприятия металлургического комплекса и горнодобывающей промышленности, дающие 56 % этой группы выбросов; за ними следуют предприятия строительного комплекса (21 %); далее – предприятия топливно-энергетического комплекса (около 2 %), химической и медицинской промышленности (менее 2 %).

По данным Губкинской санитарной службы в атмосфере нашего города наблюдается превышение содержания оксидов (SO2, CO, NO, NO2), значительные превышения отмечены по наличию оксида и диоксида азота.

Как уже отмечалось, городской автотранспорт представляет собой один из основных источников загрязнения воздуха. В выхлопных выбросах автомобилей содержатся оксиды азота NO и NO2 , угарный газ (СО), углеводороды, сажа, являющиеся продуктами неполного сгорания топлива, сернистый газ (SO2), тяжелые металлы. Каждый автомобиль выделяет в среднем до четырех килограмм этих веществ за сутки. За 100 км пути автомобиль использует столько же кислорода, сколько человек за всю свою жизнь!

Уровень загрязнения воздуха автотранспортом зависит от ряда причин. Так, дизельные двигатели расходуют на 25% меньше топлива, чем бензиновые. В дизельном топливе нет соединений свинца. При их работе выделяется многократно меньше угарного газа, но больше сажи и соединений серы. Чем больше расходуется топлива на единицу пробега, тем выше загрязнение. Тяжелые грузовики расходуют его в несколько раз больше, чем легковые автомобили. Состав выхлопных газов зависит также и от того, насколько отрегулирован двигатель.

Важным моментом в формировании полноценной среды обитания человека является создание озелененных территорий в городской зоне и содержание их в нормальном функциональном состоянии. На жизнедеятельность растений в условиях города постоянное негативное влияние оказывают повышенные загазованность и запыленность воздуха, неблагоприятные химические и физико-химические свойства почвы, асфальтовое покрытие улиц, наличие подземных коммуникаций и сооружений в зоне корневой системы, дополнительное освещение растений в ночное время, механические повреждения и интенсивный режим использования городских насаждений населением. Все это ведет к преждевременному отмиранию деревьев задолго до наступления естественной старости. Продолжительность жизни растений в условиях города нередко сокращается в 3-5 раз по сравнению с естественной средой обитания.

Улучшить условия жизнедеятельности зеленых насаждений в городе, продлить сроки их эффективного функционирования можно, добиваясь сохранения экологического равновесия, гармоничного и целенаправленного развития урбанизированных территорий и природной среды. Такое равновесие основано на соответствии ряда факторов: видового состава насаждений – природно-климатическим условиям; функционального назначения озелененного пространства – интенсивности его использования.

Озелененное пространство любого типа является полифункциональным. Каждый элемент городской системы озеленения выполняет ряд функций: участвует в организации территории и формировании культурно-художественного облика города, обеспечивает рекреационные потребности населения, защищает от транспортного и других шумов, от выхлопных газов и пыли, регулирует температуру и влажность, а также создает условия, способствующие продлению сроков жизнедеятельности самого насаждения.

Определение загрязнения воздуха ионами тяжелых металлов.

Нами были взяты пробы дождевой воды с разных участков: территории школы №16, улиц Королева и В. Интернационалистов, непосредственно у автомагистрали для определения кислотности почвы, содержания ионов Pb2+, Fe2+, Fe3+, Cd2+.

Собранные растительные пробы измельчили в ступке, добавили по 50 мл смеси этилового спирта и воды, перемешали, упарили, отфильтровали и разделяли методом хроматографии. Для определения ионов свинца использовали соли Na2S, KCrO4. При проведении анализа на содержание ионов Fe2+ и Fe3+ использовали гидроксоанионы; NaOH прибавляли по каплям. Для обнаружения Cd2+ использовали соли сульфаты.

Фитоиндикация состава воздуха.

Состояние древесно-кустарниковых растений нами изучалось в районе расположения ТЭЦ, мясокомбината, хлебозавода, ЛГОКа, и по маршруту прохождения центральных улиц города с интенсивным движением для обнаружения признаков повреждения. Нами выбирались деревья и кустарники, которые являются типичными биоиндикаторами химических веществ. В качестве контроля использовали растения лесного массива возле села Коньшино, расположенного в 55 км от города Губкина.

Изучение кислотности осадков.

В период выпадения дождей нами были выставлены емкости для сбора дождевой воды, затем при помощи индикаторной бумаги и химических индикаторов (лакмуса) проводился анализ кислотности осадков, за единицу принималась шкала индикации, где pH = 7 считается нейтральной.

Расчет количества вредных выбросов автотранспортом в районе школы мы проводили по двум соседним улицам: Королева и В. Интернационалистов, для которых характерно интенсивное движение. На каждой из них мы выбрали участок дороги протяженностью в 100 метров. Подсчитали число единиц автотранспорта, проходящего по участку за 15 минут. Для учета выбрали промежуток времени между 16-00 и 17-00, когда на улицах города отмечается большое движение транспорта. Умножив полученное число на 4, мы узнали численность автомобилей за час (N). Расчет общего пути (S), пройденного всеми машинами за 1 час производили по формуле S =Nх100м.

Расчет количества топлива, сжигаемого двигателями автомашин (R), делали по формуле R=S x K, где К –расход топлива на 1 км пути в литрах, для бензиновых двигателей он примерно составляет 0,1 л, для дизельных - 0,4 л.

При расчете количества выделившихся вредных веществ на выбранном участке дороги использовали следующие данные: при сгорании топлива, необходимого для пробега 1 км, выделяется 0,6 л угарного газа, 0,1л углеводородов, 0,04л диоксида азота. При сгорании дизельного топлива вредных выбросов выделяется в 4 раза меньше.

д) Определения степени загрязнения воздуха по лишайникам.

Оценку загрязнения атмосферного воздуха методом лихеноиндикации мы проводили на территории школы и на прилегающей к ней улице Королева. В качестве субстрата использовали тополь черный – вид, наиболее распространенный на исследуемой территории. Для оценки загрязнения атмосферы улицы описывали лишайники, которые растут по обеим сторонам улицы на каждом втором дереве. Всего было исследовано 10 деревьев по периметру школы и 20 – на улице Королева. Пробные площадки размером 10х10 см закладывали на стволах с помощью палетки. На каждом дереве описывали четыре пробные площади на высоте 1,5 м от земли. Произвести учет у основания стволов было невозможно, поскольку они оказались забелены известью. Обследование проводили по доминирующему виду лишайников – Фисция звездчатая (Physcia stellaris), при этом на каждой площади определяли размеры розеток лишайника и степень покрытия в процентах. Оценку встречаемости и степени покрытия давали по пятибалльной шкале (смотри таблицу 1) (Ашихмина Т. Я. , 2000).

Таблица 1.

Оценка частоты встречаемости и степени лишайникового покрытия

Частота встречаемости Степень покрытия Балл оценки

Очень редко Менее 5% Очень низкая Менее 5% 1

Редко 5 – 20% Низкая 5 – 20% 2

Не редко 20 – 40% Средняя 20 – 40% 3

Часто 40 – 60% Высокая 40 – 60% 4

Очень часто 60 – 100% Очень высокая 60 – 100% 5 е) Изучение состояния древесно-кустарниковых пород.

Изучение видового состава и состояния древесно-кустарниковой растительности проводилось методом маршрутного обследования территории города, начиная с улицы Преображенская и заканчивая улицей Севастопольская. Собранный гербарный материал анализировался в камеральных условиях. При определении деревьев и кустарников использовали имеющиеся определители (Валягина-МалютинаЕ. Т. , 1998; Гроздова Н. И. , 1986). Для определения возбудителей заболеваний и вредителей проводили необходимые микроскопические исследования. Оценку степени развития болезней проводили по пятибалльной шкале:

0 баллов - болезнь не обнаруживается;

1 балл – повреждения составляют до 5% листовой поверхности;

2 балла – повреждения составляют до 10% листовой поверхности;

3 балла – повреждения составляют до 25% листовой поверхности;

4 балла – повреждения составляют до 50% листовой поверхности;

5 баллов - повреждения составляют до 75% листовой поверхности.

Для этой цели с пяти учетных деревьев отбирали по 100 листьев с четырех сторон и с разной высоты кроны.

Результаты исследования атмосферы

Определение загрязнения воздуха ионами тяжелых металлов.

Определение загрязнения воздуха ионами тяжелых металлов проводилось методом качественного анализа проб дождевой воды и вытяжки растений с использованием хромотографии. Для этого нами были взяты пробы дождевой воды и образцы листьев с разных участков: территории школы, улицы Королева, улицы В. Интернационалистов и непосредственно у автомагистрали, в которых определения кислотность и содержание ионов Pb2+, Fe2+, Fe3+, Cd2+. Полученные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Наличие ионов тяжелых металлов на исследуемых участках

Название пробы ионыPb2+ ионыFe 2+ ИоныFe3+ ионыCd2+

Дожде-вая Раститель-ная вытяжка Дожде-вая вода вода

ТЭЦ мясоком бинат

Количество единиц автотранспорта за 1 час с бензиновым двигателем 420 480

с дизельным двигателем 60 76

Общий путь, пройденный машинами за 1 час с бензиновым двигателем с дизельным двигателем 42 км 48 км

6 км 7,6 км

Количество топлива, сжигаемого автомобилями с бензиновым двигателем с дизельным двигателем 4,2 л 4,8 л

2,4 л 3,0 л

Суммарное количество вредных выбросов автомобилями с бензиновым двигателем с дизельным двигателем 3,11 л 3,55 л

0,44 л 0,56 л

3,55 л 4,11 л

Данные, полученные в результате расчетов количества вредных выбросов автомобилями, свидетельствуют о том, что только за 1 час при активном движении автомобильного транспорта в районе школы №16 в атмосферный воздух выбрасывается более 7,5 литров вредных выбросов. При этом правая сторона улицы В. Интернационалистов имеет большую техногенную нагрузку (на 30%), по сравнению с левой стороной, прилегающей к школе. Учитывая, что в нашем городе основное движение машин приходится на период времени с 6-ти до 18-ти часов, можно предположить, что всего за сутки только в исследуемом районе в атмосферный воздух от автомобилей поступает около 100 литров вредных выбросов.

Определение степени загрязнения воздуха по лишайникам.

В результате исследования деревьев на наличие лишайниковой флоры было установлено, что в районе средней общеобразовательной школы №16 встречаются три вида лишайников, а именно, фисция звездчатая (Physcia stellaris), ксантория постенная (Xantoria parietina) и пармелия козлиная (Parmelia caperata). Фисция звездчатая является доминирующим видом, средняя частота встречаемости которого составляет 19%. Ксантория и пармелия встречаются очень редко. При этом лишайники испытывают явное угнетение. Являясь по своей природе листоватыми лишайниками, они выглядят как накипные. Размер розеток часто не превышает 1 кв. см.

Таблица 5.

Оценка чистоты воздуха при помощи лишайников (Фисция звездчатая)

Участки

Показатели территория левая сторона правая сторона школы ул. Королева ул. Королева

Частота встречаемости около 3 баллов 2 балла менее 2 баллов

Степень покрытия

25,5% 22,2% 12,4%

Балл оценки 3 2 2

Количественная оценка фисции звездчатой (смотри таблицу 5) показала, что минимальная частота встречаемости данного вида (менее 2 баллов) отмечается по правой стороне улицы Королева, на которую приходится максимальная транспортная нагрузка. Степень лишайникового покрытия стволов деревьев на этом участке составляет 12,4%. Левую сторону улицы от правой отделяет 25-ти метровая полоса. Интенсивность движения автомобильного транспорта по левой стороне на 30% ниже, чем по правой. Степень лишайникового покрытия здесь составляет 22,2%, что почти вдвое выше, чем на противоположной правой стороне. Для деревьев, находящихся на территории школы и расположенных в удалении от проезжей части, характерна более высокая частота встречаемости и степень лишайникового покрытия.

Таким образом, для микрорайона нашей школы характерен бедный видовой состав лишайниковой флоры. Здесь выявлено всего три вида лишайников Physcia stellaris, Parmelia caperata, Xantoria parietina, состояние их не соответствует норме, лишайники испытывают явное угнетение. Оценка частоты встречаемости и степени покрытия фисции составляет в среднем два балла. Полученные данные свидетельствуют о присутствии в воздухе диоксида серы, концентрация которого находится в пределах 0,05-0,3 мг/куб. м, что соответствует средней степени загрязненности.

Изучение состояния древесно-кустарниковых пород.

Изучение древесно-кустарниковой растительности города показало, что общее число видов достигает 80. Чаще всего в зеленых насаждениях встречаются липа мелколистная и крупнолистная, тополя черный, бальзамический, душистый, рябина обыкновенная, береза повислая, конский каштан обыкновенный. У жилых домов растет много плодовых деревьев: яблони, груши, абрикосы, вишни, сливы. Из кустарников широко представлены жимолости татарская и европейская, бирючина обыкновенная, спирея городчатая, карагана древовидная, сирень обыкновенная, свидина красная, туя западная.

Около 20% древесно-кустарниковых растений являются интродуцентами, выходцами из Азии и Северной Америки (туя западная снежноягодник белый, магония падуболистная, рябина черноплодная, дерен белый, сирень обыкновенная, кизильник блестящий, айва японская).

На ряде культур мы отмечали повреждения листьев, которые, по нашему мнению, являются следствием неблагоприятных экологических воздействий. Они проявлялись в виде пятен на листовых пластинках (липа, белая акация, вяз мелколистный) и в виде обширных некрозов (конский каштан, рябина, ива).

Изучая древесно-кустарниковую растительность, мы обратили внимание на развитие болезней и вредителей, которые существенно снижают защитную экологическую функцию зеленых насаждений. Погодные условия этого года, и главным образом морозная зима, способствовали сокращению их численности. Мы отмечали незначительное развитие мучнисторосяных грибов: Uncinula aceris –на клене ясенелистном и татарском, Sphaerotheca pannosa – на розе и шиповнике, Phyllactinia suffulta – на желтой акации, а также коккомикоз вишни (возбудитель Cylindrosporium hiemalis), ржавчина шиповника и розы (возбудитель Phragmidium disciflorum), ржавчина барбариса (возбудитель Puccinia graminis). Болезни затронули до 5 % листьев, при этом степень их развития не превышала 2 балла.

В сентябре наблюдалось распространение черной пятнистости листьев клена (возбудитель Rhytisma acerinum). Болезнью было поражено до 55% листьев клена остролистного. Степень развития заболевания составила 1 -2 балла.

При изучении повреждений листьев деревьев и кустарников было установлено, что для зеленых насажлений города весьма вредоносны сосущие насекомые. На большинстве пород мы наблюдали тлю, в том числе, липовую (Eucallipterus tiliae), кленовую разукрашенную (Drepanosiphum acerinum), зеленую вязовую (Tinocallis platani), березовую трехцветную (Callipterinella betularia).

На черешках листьев тополя мы отмечали большое количество галл, образованных однодомным спиралегалловым пемфигом (Pemphigus spirotheca). В них мы наблюдали развитие личинок и взрослую тлю.

В настоящее время в нашем городе ведется большая работа по благоустройству и реконструкции зеленых насаждений, которую, на наш взгляд, следует дополнить защитными мероприятиями от вредителей и болезней. При закладке новых насаждений следует учитывать устойчивость пород к экологическим условиям.

В результате качественного анализа проб дождевой воды и исследования вытяжки растений с использованием метода хромотографии было выявлено высокое содержание ионов тяжелых металлов (Pb2+, Fe2+, Fe3+, Cd2+) во всех пробах, взятых у дорог. На территории школы эти показатели были в среднем в два раза ниже.

Мы считаем, что поступление вредных химических веществ на территорию школы значительно сокращают многочисленные зеленые насаждения, которые выполняют функцию своеобразного «зеленого кордона».

Наибольшая кислотность осадков отмечена в районе оживленной автомагистрали, затем следуют улицы Королева, улица В. Интернационалистов. Слабощелочная среда отмечена в осадках, выпавших на школьном дворе.

Выпадение кислотных дождей связано с выбросами оксидов SO2, NO в атмосферу. На улицах с оживленным движением автотранспорта, какими являются автомагистраль и улица Королева, происходит дополнительное поступление оксидов, что ведет к значительному увеличению кислотности осадков.

Данные, полученные в результате расчетов количества вредных выбросов автомобилями, свидетельствуют о том, что только за сутки в исследуемом районе от автомобилей поступает около 100 литров вредных выбросов.

Для микрорайона школы характерен бедный видовой состав лишайниковой флоры. Здесь выявлено всего три вида лишайников: Physcia stellaris, Parmelia caperata, Xantoria parietina, которые испытывают явное угнетение. Результаты лихеноиндикационной оценки свидетельствуют о присутствии в воздухе диоксида серы, концентрация которого находится в пределах 0,05-0,3 мг/куб. м, что соответствует средней степени загрязненности.

Мы считаем, что для улучшения экологической ситуации в районе нашей школы необходимо провести реконструкцию зеленых насаждений на прилегающей территории, так как прослеживается явная тенденция их положительного влияния на состояние атмосферного воздуха.

Рекомендации.

Наша работа заслуживает особого внимания, в период переустройства родного города, когда идет реконструкция дворов, улиц и прилегающих к школе территорий.

Посаженные в период становления школы зеленые насаждения, нуждаются в детальной реконструкции, уборки старых больных насаждений и замене новыми более перспективными видами.

Изучив состояние воздушного бассейна, виды деревьев и кустарников, произрастающие у нас в городе, мы пришли к выводу, что наиболее перспективными и экологически устойчивыми при замене старых деревьев являются такие виды: дуб красный, клен платановидный, черемуха вергинская, сосна веймутова, пихта бальзамическая, можжевельник казацкий, спирея средняя, тополь бальзамический и др. Можно и расширить этот список. Так как деревья отличаются достаточно высокой устойчивостью к болезням, химическому загрязнению, являются хорошими пылеуловителями, обладают высокой декоративностью.

Внешний вид школы, ее зеленый декоративный наряд, по- нашему мнению, должен органично сочетается с красотой нашего любимого города Губкина, который и в этом году занял призовое место по благоустройству среди городов России районного масштаба.