Растения в биоиндикации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский Государственный университет»

Кафедра экологии, ботаники и охраны природы

Реферат

«РАСТЕНИЯ В БИОНДИКАЦИИ»

Выполнила студентка 2 курса магистратуры

Федченко Екатерина Павловна

Проверила доктор биологических наук, профессор

Кавеленова Людмила Михайловна

Самара 2013г.

Особенности использования растительных организмов в качестве биоиндикаторов

Различия в индивидуальной реакции растительного организма на определенное воздействие экологического фактора могут лежать в основе существования растений - индикаторов определенных абиотических условий. При этом важное значение будет иметь положение экологического оптимума вида. Для многих видов жизненно необходимым и, безусловно, переносимым будет некий наиболее часто встречающийся средний уровень воздействия основных факторов (температура, влага, свет, трофность почвы и т.д.). Видообразование в конкретных условиях окружающей среды (например в биогеохимических провинциях и локальных местообитаниях) приводит к закреплению «смещенной» экологической валентности по отношению к конкретному фактору. Возникает ряд физиолого-биохимических и даже морфологических особенностей растений, обеспечивающих видам или формам повышенную устойчивость.

Широта амплитуды, таким образом, определяет характер индикационных возможностей. Так, если стенотопные виды могут указывать на определенный уровень воздействия экологического фактора своим присутствием (отсутствием), то для эвритопных видов подобным показателем станут мера обилия, представленность специфических форм, выраженность структурно-функциональных особенностей (отклонение от среднего уровня некоторых морфологических либо метаболических параметров).

Если фактор среды лимитирует жизнедеятельность растения лишь своим максимумом, как конкретные химические элементы в биогеохимических провинциях, аллелопатически активные вещества или техногенные загрязнители в антропогенно преобразованной среде, мы также столкнемся с различной экологической валентностью растений, обнаруживая потенциальные биоиндикаторы.

При разработке приемов фитоиндикации природных условий были составлены списки видов-индикаторов, приуроченные к рН почвы, её трофности, засоленности, механическому составу. Они стали результатом анализа особенностей конкретных видов, их нормы реакции и зоны оптимума по отношению к ряду факторов, составляющих биотоп. Эти виды могут быть рекомендованы для ориентировочной оценки некоторых важных свойств почвы.

Индикационная геоботаника, опыт её использования для оценки параметров природных экосистем (геохимических условий, глубины залегания грунтовых вод, уровня засоления, трофности почвы)

В результате изучения приуроченности растительных группировок к отдельным условиям местообитания, сформировалось направление индикационной ботаники. Индикация с использованием структурных особенностей развития и динамики растительного покрова, отдельных видов, списков видов и индикаторных групп растений, внутривидовых форм, позволила получить интересный и разнообразный материал. Так, для аридных условий были разработаны приемы фитоиндикационной оценки мелиоративного состояния земель, степени их засоления, механического состава почв по растительности. В условиях дефицита влаги были проанализированы возможности фитоиндикации гидрологического режима, глубины залегания и минерализованности грунтовых вод.

Основные направления индикационной геоботаники выделяются по индикатам, для определения которых используются индикационно-геоботанические наблюдения. В качестве главнейших в настоящее время существуют следующие направления:

1) педоиндикация, 2) литоиндикация, 3)гидроиндикация, 4) индикация мерзлотных условий, 5) индикация полезных ископаемых, 6) индикация естественных процессов, 7) индикация антропогенных процессов.

Педоиндикацию и литоиндикацию часто объединяют в геоиндикацию. Педоиндикация, или индикация почв, - одно из важнейших направлений, так как связи почвы и растительного покрова наиболее бесспорны и общеизвестны. Это направление имеет две ветви: индикацию различных таксонов (т. е. типов, подтипов, родов и видов почв) и индикацию определенных свойств почв (механический состав, засоленность и др.). Первая, имея исключительно большое значение, оказывается достаточно сложной, так как в типологии и классификации почв (особенно в наиболее низких таксономических единицах) не всегда существует полное единообразие, так что объем индиката иногда оказывается несколько неопределенным. Вторая ветвь разработана сейчас значительно полнее, так как свойства почв в большинстве случаев могут быть охарактеризованы количественными показателями (по результатам анализов), и поэтому с большой точностью можно установить связь определенных растительных сообществ с определенной амплитудой этих показателей.

Литоиндикацией называется геоботаничеокая индикация горных пород. Литоиндикация тесно связана с педоиндикацией, но охватывает более глубокие толщи земли. Связь растительности с этими горизонтами может быть как прямая (за счет растений с наиболее мощной корневой системой), так и косвенная (через систему горная порода - почва - растительность). Многие растительные сообщества имеют значение индикаторов выветривания горных пород ранних стадий почвообразования на них (например, сообщества литофильных лишайников и водорослей). Растительные индикаторы могут указывать на трещиноватость пород (за счет преимущественного развития растительности в трещинах), на определенные химические особенности пород (гипсоносность, ожелезненность, карбонатность и др ), на их гранулометрический состав (обозначая глины, пески, супеси, суглинки, галечники).

Гидроиндикация, или индикация грунтовых вод, основывается на способности многих растений развиваться лишь при связи их корневой системы с водонасыщенными горизонтами. Здесь, как и в области литоиндикации, используются растительные сообщества с господством глубококорневых растений. При геоботанической индикации возможна также и оценка минерализации грунтовых вод. При этом показателями высокоминерализованных грунтовых вод являются часто (но не всегда) те же сообщества, которые индицируют и соленосные горные породы

Индикация мерзлотных условий имеет очень сложный характер. В основе ее лежит представление о зависимости растительного покрова криолитозоны от термических свойств субстрата и сезонных процессов протаивания и промерзания. Однако эти свойства многолетнемерзлых грунтов стоят в зависимости как от гранулометрического состава их, так и от геоморфологических, гидрологических и гидрогеологических условий. Поэтому индикация мерзлотных условий является как бы результатом интеграции педоиндикационных, литоиндикационных и гидроиндикационных исследований. Все рассмотренные направления - педоиндикация, литоиндикация, гидроиндикация и индикация мерзлотных условий - имеют сходство в том отношении, что основными индикаторами являются растительные сообщества.

Индикация полезных ископаемых во многом отличается от других направлений индикационной геоботаники. В качестве прямых индикаторов здесь используются обычно не растительные сообщества, а отдельные виды, мелкие внутривидовые формы растений, а также тераты. В основе индикации при этом лежат установленные наблюдениями факты о сильной формообразующей роли многих соединений, а также о патологическом влиянии их на внешний облик растения - его окраску, морфологию его органов и на их типичные пропорции. Косвенная индикация может производиться и по сообществам, если они обозначают литологические разности пород, с которыми связано распространение определенных полезных ископаемых. Но такие косвенные индикаторы имеют обычно локальный характер, и поэтому практическое значение их ограничено.

В настоящее время многими учеными разрабатываются теория и методы индикационной геоботаники и собран обширный фактический материал в различных направлениях ее приложения. Особенностям фитоиндикации горных пород, подземных вод и глубины залегания руд посвящена книга С. В. Викторова (1955). Автор показывает, что в качестве индикаторов при геологических и гидрологических исследованиях можно использовать и растительные сообщества, и отдельные виды растений. Специальным вопросам гидроиндикацин посвящен ряд работ Е. А. Востоковой (1961, 1980). В 1962 г. вышла в свет книга С. В. Викторова, Е. А. Востоковой, Д. Д. Вышивкина «Введение в индикационную геоботанику», в которой даются основы теории и методов этой науки и раскрыты ее основные направления. Позже были опубликованы учебные пособия Б. В. Виноградова (1964) и Ф. Д. Алахвердиева (1985).

В эти же годы появился ряд определителей и справочников (1962, 1963), которые дают конкретные сведения об индикации по растениям и растительным сообществам грунтовых вод, почвогрунтов, лнтологического состава поверхностных отложений в различных районах нашей страны. Проводится ряд совещаний по индикационной науке, и издаются их труды. В последнее время наряду с геоботанической индикацией стала широко применяться ландшафтная индикация, когда в качестве индикаторов используют не только растительность, но и другие элементы ландшафта. Особенности ландшафтной индикации, ее теория и методология разрабатываются С. В. Викторовым (1966) и другими исследователями.

хвойный лиственный газоустойчивость загрязнитель

Экологические шкалы Раменского, Цыганова, Элленберга

До сих пор актуальны и применимы экологические шкалы распределения луговых и пастбищных растений, разработанные Л. Г. Раменским и его школой (1956). Исходя из положения, что каждое растение имеет свою кривую распределения, характеризуемую изменением обилия в связи с переменностью условий местообита-ния, т. е. увлажнения и богатства почв, были созданы экологические шкалы для 1400 видов растений лугов и пастбищ лесной, лесостепной и степной зон.

Таблицы стандартных шкал (градиентов) построены с учетом пяти экологических факторов: по увлажнению (У), богат-ову и засоленности почв (БЗ), пастбищной дигрессии (ПД), переменности увлажнения (ПУ) и аллювиальности (А). Приводим шкалы увлажнения, богатства и засоленности почв, которые могут быть использованы при выявлении индикационных закономерностей (по Раменскому, 1956).

Оптимумные экологические шкалы Г. Элленберга, где экологическая характеристика видов оценивается по отношению к главным факторам по 9-балльной шкале, при этом 1 балл обозначает наименьшую, а 9 баллов - наибольшую величину фактора. Только для влажности взята 12-балльная шкала, при этом три ступени соответствуют водным растениям. Для каждого вида, встреченного на пробной площадке, указывается балл по экологическим шкалам.

Биоиндикация техногенного загрязнения с использованием высших растений.

Наиболее общим выражением уровня соответствия растительного организма совокупности условий окружающей среды можно считать его общий габитус. Оценка жизненного состояния древесных растений в насаждениях предполагает использование определенной условной шкалы, позволяющей формализовать визуальное, зачастую интуитивное восприятие растительного организма. Достаточно популярна разработанная В.А. Алексеевым (1989, 1990) 5-бальная шкала оценки жизненного состояния деревьев, предложенная для условий атмосферного загрязнения, с ней в целом совпадает пятибалльная шкала, представленная в новом труде Ботанического института им. Комарова (Методы изучения,… 2002). Шкала В.А. Алексеева может использоваться в качестве универсальной, поскольку не ограничивает причин угнетенного состояния древесных растений только техногенным загрязнением.

Однако знание только степени газоустойчивости, зачастую определенной в иных природно-климатических условиях произрастания. Не обеспечивает оценки жизненного состояния этих видов в урбосреде лесостепи. Шкала общей оценки жизненного состояния не исключает одновременного сбора информации о структурных особенностях листового аппарата, побегов, стволовой части и ветвей кроны. Так, при обследовании хвойных может быть использована шкала Ю.З. Кулагина.

Для городских насаждений возможны использование не только бальных шкал, но и исходящий из утилитарных целей упрощенный подход, при котором деревья подразделяют на три группы жизнеспособности, которые различаются по абсолютным и относительным ростовым показателям, имеют неодинаковое развитие кроны, числом активных корней, физиолого-биохимические показатели листового аппарата. Деревья различных классов жизненного состояния требуют различных агротехнических мероприятий в городских насаждениях.

Привлечение результатов оценки жизненного состояния групп хвойных растений к анализу собственно экологической ситуации на различных участках городской территории и фитомониторингу техногенного загрязнения требует выполнения ряда условий. Обязательным становится изначальная сопоставимость групп деревьев, то есть их одинаковый возраст, жизненное состояние, соблюдение агротехники (посадки, начального ухода). Использовавшийся в насаждениях посадочный материал при этом должен быть представлен саженцами одного происхождения, поскольку для хвойных растений фактор популяционно-географической изменчивости играет исключительно важную роль, затрагивая признаки и вегетативных, и генеративных структур. Располагая информацией о том, в каких насаждениях были использованы деревья из одной партии поступившего в город посадочного материала, мы в дальнейшем можем контролировать их состояние в условиях разного уровня техногенного воздействия и использовать информацию в аспекте фитомониторинга.

Реакции хвойных и лиственных растений на присутствие загрязнителей воздуха: газоустойчивость и индикационная значимость растений

Уровень загрязнения воздуха в широком диапазоне концентрации различных фитотоксикантов можно установить с помощью растений отличающихся по предельному уровню безвредной или слабо повреждающей концентрации токсических газов в воздухе. Это позволяет, для конкретных природно-климатических условиях выявлять группу (ряды) растений в порядке их устойчивости к атмосферным загрязнителям, используя в дальнейшем наиболее чувствительные в качестве индикаторов и формирую системы озеленения на основе наиболее устойчивых видов.

Особенно устойчивыми к индустриальным и транспортным загрязнениям оказались растения, происходящие из районов с засоленными почвами (галофиты или виды с галофильными признаками). Дело в том, что они и в естественных местообитаниях располагают специальными физиологическими механизмами для обезвреживания поступающих в растение ненужных или токсичных веществ. В чём-то сходный способ избавления от избытка вредных веществ недавно обнаружен у некоторых хвойных пород: поглощённые токсиканты скапливаются в отмерших кончиках хвои, которые изолируются от живых тканей специальным отделительным слоем.

Установлено, что подрост сосны более устойчив к действию фтора, чем спелые и перестойные деревья. У лиственницы, напротив, жизнеспособность выше у спелых деревьев. Показано, что внутри вида наиболее газоустойчивые деревья отличаются от неспособных противостоять газовой атаки большим содержанием воды в листьях, лубе и заболони, меньшим объёмом вентилируемых полостей в губчатой паренхиме листьев, более высоким осмотическим давлением клеточного сока, нахождением изоэлектрической точки в более кислой области pH, а также большим содержанием общего и белкового азота молодой хвои.

Существует корреляция между уровнем содержания аскорбиновой кислоты и резистентностью растений лиственницы к двуокиси серы: со снижением количества аскорбиновой кислоты ночью увеличивается чувствительность лиственницы к газу. По мере интенсификации фумигации днём содержание аскорбиновой кислоты падает. У сосны при затенении днём токсичное действие сернистого газа выражено сильнее, чем ночью. Между тем днём заметно снижается содержание аскорбиновой кислоты. Корреляция между содержанием аскорбиновой кислоты и чувствительностью к газам обнаружено и у ели.

Всё изложенное и свидетельствует о том, что аскорбиновая кислота выполняет в растениях защитную функцию по отношению к токсикантам.

В настоящее время весьма важное значение в различных проявлениях патологии клеток растений и животных придаётся проницаемости цитоплазмы. Не является исключением, по-видимому, и зависимость вредного действия ядовитых веществ на растения от проницаемости их тканей. Действительно, цитоплазма клеток хвои двухлетних сеянцев сосны, повреждённых вредными газами, обладает значительно большей проницаемостью, чем у здоровых. Устойчивые к сероводороду растения отличаются повышенной прочностью и высокой регуляторной способностью клеточных мембран. Под влиянием сероводорода у устойчивых видов по сравнению с неустойчивыми наблюдается сравнительно меньшее нарушение проницаемости клеточных мембран.

Относительно большую устойчивость к фитотоксикантам проявляет ель сибирская. В предтундровых лесах, загрязненных атмосферными выбросами горно-металлургического комбината оценивалась устойчивостью елово-березо-лиственничных древостоев. Отмечено, что первыми усыхают лиственница и береза, затем ель. Ежегодный отпад деревьев в усыхающих и сильно ослабленных насаждениях составляет: у лиственницы - 5-9%, ели - до 27%.

Преимущества живых индикаторов растений состоят в том, что они: суммируют все логически важные данные об окружающей среде и отражают её состояние в целом; делают не обязательным применение дорогостоящих, трудоемких физических и химических методов для измерения биологических параметров; отражают скорость происходящих в природной среде изменений; указывают пути и места скопления различных загрязнений в природных и техногенных экологических системах; позволяют судить о степени вредности различных ксенобиотиков для живой природы и человека; помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся по своей устойчивости к антропогенному воздействию.

Структурно-функциональные параметры органов растений и их использование в биоиндикации

У растений-сенсоров реакциями на техногенное загрязнение являются морфологические, анатомические, физиолого-биохимические изменения. Среди наиболее часто используемых показателей можно назвать структурно-функциональные изменения листьев, появление хлорозов и некрозов. На уровне физиолого-биохимических откликов зачастую рассматриваются изменения фотосинтетического пигментного аппарата, активности дыхательных ферментов, компонентов антиоксидантной системы, накопление стрессовых метаболитов. Среди показателей генеративных структур в биомониторинге предлагается оценка качества пыльцы.

Имеются данные, посвященные оценке флуктуирующей асимметрии листовых пластинок древесных растений в зависимости от стрессирующего воздействия окружающей среды. В качестве критерия неблагополучия экологической обстановки в конкретной точке анализируемой территории можно использовать показатель флуктуирующей асимметрии листовой пластинки, например, для березы повислой, клевера ползучего и других видов цветковых растений с билатерально симметричными листьями.

В условиях техногенеза растения, как правило, снижают продуктивность, что выражается в снижении прироста, уменьшении размеров пыльцы, ухудшении её свойств, снижении плодоношения и качества семян. Загрязнение воздуха может вызывать снижение образование пыльцы, Снижение переноса и жизнеспособности пыльцы, а также снижение её прорастания, что продемонстрировано как для голосеменных, так и для цветковых растений.

Выносливости к городской среде способствуют также и особые черты строения и физиологии растений,- например, плотные покровные ткани, защищающие как от иссушения, так и от проникновения загрязнителей; повышенная способность к регенерации и отрастанию при повреждениях; быстрый и интенсивный рост, когда вновь образующаяся фитомасса «разбавляет» концентрацию поглощённых загрязнителей в теле растения. Листопадные древесные и кустарниковые породы оказываются в более выгодном положении, поскольку имеют возможность ежегодно при листопаде избавляться от поглощённых загрязнителей, в то время как у вечнозелёных они накапливаются год за годом [9,24].

Лиственные породы по сравнению с хвойными более устойчивы отчасти по той причине, что обладают более ярко выраженной способностью к регенерации.

Ель колючая, интродуцент североамериканского происхождения, демонстрирует большую устойчивость к антропогенному влиянию, в том числе и в условиях лесостепи. У ели колючей при высоком уровне жизненного состояния (класс 1) может выявляться аномальное положение наиболее молодой части верхушечного побега - пониклость и изогнутость верхушки. Для ели европейской отмечается пониклость ветвей и хвои на них, что рассматривается в качестве симптома повреждения хвойных растений техногенными выбросами. Наконец, сроки жизни и у ели колючей, и у ели европейской заметно сокращаются при произрастании в урбосреде лесостепи, чему в немалой мере способствуют конкретные особенности условий произрастания.

Использование эколого-физиологических показателей хвойных растений в фитомониторинге также перспективно, поскольку изменение их структурных и метаболических показателей под влиянием техногенного загрязнения зарегистрировано в различных природно-климатических условиях. При этом, помимо биотопических условий насаждения и возрастных особенностей самих хвойных растений, необходимо учитывать сезонные и возрастные изменения функциональной активности хвои.

Размещено на Allbest.ru