Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире особенно важна проблема сохранения не только почв, но и биоразнообразия, в том числе и здоровья человека, напрямую связанного с ухудшением экологической ситуации. Для своевременной оценки состояние окружающей среды создана система экологического мониторинга, включающего химические, физические и биологические методы оценки качества среды.

Актуальность проблемы загрязнения почвы обусловлена тем, что год от года увеличивается антропогенное воздействие на окружающую среду. В данный момент возросла необходимость сохранять почву, особенно в городской среде. Мировое производство продуктов питания постоянно растет и это требует не только сохранения, но и постоянного повышения плодородия почвы. Всякая почва обладает той или иной плодородностью, но если постоянно только извлекать из нее элементы питания и не вносить органические и минеральные удобрения, то плодородие падает. С древних времен люди научились отличать по цвету, структуре и другим внешним показателям различать виды почв, одни из которых являются более благоприятными для выращивания растений, а другие вовсе не подходят для сельскохозяйственной и иной деятельности. Сохранение почвы жизненно важно для человека. Почва играет роль биологического нейтрализатора различных загрязнений, является важнейшим компонентом биосферы планеты. Современный почвенный покров формировался в течении тысячелетий.

Различают два вида загрязнений почвы -- антропогенное и естественное. Естественное загрязнение почв возникает в результате природных процессов в биосфере, происходящих без участия человека и приводящих к поступлению в почву химических веществ из атмосферы, литосферы или гидросферы, например, в результате выветривания горных пород или выпадения осадков в виде дождя или снега, вымывающих загрязняющие ингредиенты из атмосферы.

Наиболее опасно для природных экосистем и человека антропогенное загрязнение почвы, особенно техногенного происхождения. Наиболее характерными загрязнителями являются пестициды, удобрения, тяжелые металлы и другие вещества промышленного происхождения. В основном загрязнители в почву поступают из атмосферных осадков (дождь, снег и др.), со сбросом твердых и жидких отходов промышленного и бытового происхождения и при использовании пестицидов и удобрений в сельскохозяйственном производстве. Почва может загрязнять окружающую среду, так как, накапливая в себе вредные вещества, она постепенно начинает их распространять (с осадками, ветром и т. д.).

Особенно опасны загрязнения почвы веществами 1 класса опасности, например, тяжелыми металлами. Они выделяются при производстве к примеру свинцовых аккумуляторов.

ОАО «Электротяга» (рис.1) является единственным в России производителем аварийно-резервных и циклируемых свинцово-кислотных аккумуляторов для подводных лодок.

Рисунок 1. Место отбора проб

Вероятно, что почва на территории предприятия, а так же близлежащие участки могут быть загрязнены соединениями свинца и кислотами, которые способны накапливаться в почве. Накопление данных веществ в почве является опасным не только для растений, но и для животных и людей. Предприятие находится в Кировском районе Санкт-Петербурга по улице Калинина 50-А. Улица проходит от реки Таракановки до соединительной линии железной дороги. Дальше улица продолжается на территории Кировского завода.

Цель работы - осуществить мониторинг почв ОАО «Электротяга» по биоиндикатору.

Задачи для выполнения цели работы:

- отобрать пробы почвы на данной территории;

- провести химический анализ данной почвы для нахождения загрязнителей и установления общего состояния почвы;

- проанализировать тип почвы;

- высадить на два образца почвы семена растения биоиндикатора кресс-салат;

- сравнить 2 образца растений, их развитие и т. д.;

- сделать выводы о загрязнении растений на территории отбора проб почвы.

Раздел 1. Отбор проб почвы

1.1 Методика отбора проб почвы

Исследования проводились на основании методики в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 «Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа»: «Отбор проб проводят для контроля загрязнения почв и оценки качественного состояния почв естественного и нарушенного сложения» [3]. Показатели, подлежащие контролю, выбирают из указанных в ГОСТ 17.4.2.01-81[1] и ГОСТ 17.42.02-83 [2].

Отбор проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализов проводят не менее 1 раза в год. Для контроля загрязнения тяжелыми металлами отбор проб проводят не менее 1 раза в 3 года. Для контроля загрязнения почв детских садов, лечебно-профилактических учреждений и зон отдыха отбор проб проводят не менее 2 раз в год - весной и осенью. При изучении динамики самоочищения отбор проб проводят в течение первого месяца еженедельно, а затем ежемесячно в течение вегетационного периода до завершения активной фазы самоочищения. [ГОСТ 17.4.4.02-84]

Отбор проб почв крайне важен для определения состояния территории. Загрязнения почв могут быть как и весьма безобидными, так и приносящими вред здоровью человека, животных и растений, а так же могут приводить к исчезновению некоторых популяций растений и животных на данной территории. Поэтому на каждом предприятии должны соблюдаться определенные правила, для того, чтобы избежать вышеперечисленных экологических ситуаций.

биоиндикатор кресс салат почва

1.2 Методы и виды отбора проб почвы

Точечные пробы отбирают на пробной площадке из одного или нескольких слоев или горизонтов методом конверта, по диагонали или любым другим способом с таким расчетом, чтобы каждая проба представляла собой часть почвы, типичной для генетических горизонтов или слоев данного типа почвы. Количество точечных проб должно соответствовать ГОСТ 17.7.3.01-83.

Точечные пробы отбирают ножом или шпателем из прикопок или почвенным буром.

Объединенную пробу составляют путем смешивания точечных проб, отобранных на одной пробной площадке.

Для химического анализа объединенную пробу составляют не менее, чем из пяти точечных проб, взятых с одной пробной площадки. Масса объединенной пробы должна быть не менее 1 кг.

Для контроля загрязнения поверхностно распределяющимися веществами - нефть, нефтепродукты, тяжелые металлы и др. - точечные пробы отбирают послойно с глубины 0-5 и 5-20 см массой не более 200 г. каждая.

Для контроля загрязнения легко мигрирующими веществами отбирают точечные пробы. При отборе точечных проб и составлении объединенной пробы должна быть исключена возможность их вторичного загрязнения.

Точечные пробы почвы, предназначенные для определения тяжелых металлов, отбирают инструментом, не содержащим металлов. Перед отбором точечных проб стенку прикопки или поверхность керна следует зачистить ножом из полиэтилена или полистирола или пластмассовым шпателем.

Точечные пробы почвы, предназначенные для определения летучих химических веществ, следует сразу поместить во флаконы или стеклянные банки с притертыми пробками, заполнив их полностью до пробки.

Точечные пробы почвы, предназначенные для определения пестицидов, не следует отбирать в полиэтиленовую или пластмассовую тару.

Для бактериологического анализа с одной пробной площадки составляют 10 объединенных проб. Каждую объединенную пробу составляют из трех точечных проб массой от 200 до 250 г каждая, отобранных послойно с глубины 0-5 и 5-20 см.

Пробы почвы, предназначенные для бактериологического анализа, в целях предотвращения их вторичного загрязнения следует отбирать с соблюдением условий асептики: отбирать стерильным инструментом, перемешивать на стерильной поверхности, помещать в стерильную тару.

Для гельминтологического анализа с каждой пробной площадки берут одну объединенную пробу массой 200 г, составленную из десятиточечных проб массой 20 г каждая, отобранных послойно с глубины 0-5 и 5-10 см.

При необходимости отбор проб проводят из глубоких слоев почвы послойно или по генетическим горизонтам. Все объединенные пробы должны быть зарегистрированы в журнале и пронумерованы.
На каждую пробу должен быть заполнен сопроводительный талон. В процессе транспортировки и хранения почвенных проб должны быть приняты меры по предупреждению возможности их вторичного загрязнения.

Пробы почвы для химического анализа высушивают до воздушно-сухого состояния по ГОСТ 5180-75. Воздушно-сухие пробы хранят в матерчатых мешочках, в картонных коробках или в стеклянной таре.

Пробы почвы, предназначенные для определения летучих и химически нестойких веществ, доставляют в лабораторию и сразу анализируют.

Раздел 2. Биоиндикация почвы при помощи растений

2.1 Биоиндикация и ее виды

Биоиндикация - обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Изменения растительности под действием различных факторов внешней среды влияют на состояние биогеоценоза в целом и, вследствие этого, могут использоваться в качестве диагностических признаков. Сведения о структурно-функциональных нарушениях, характере поступления, превращении и аккумуляции токсикантов в органах растений в техногенной среде можно получить с использованием различных методов (анатомических, физиологических, биохимических и т.д.).

Существует две формы биоиндикации: когда одинаковые реакции организма могут быть вызваны различными факторами среды (в том числе и антропогенного происхождения) -- тогда речь идёт о неспецифической биоиндикации; когда изменения реакции чётко связаны с изменением конкретного фактора -- специфическая биоиндикация.

Биоиндикация может быть специфической и неспецифической. В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды. Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака (сорта Веl WЗ) серебристых некрозных пятен. Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию.

Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период засухи и по другим причинам.

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно. В описанном выше случае серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.

При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других (абиотических или биотических) факторов среды. Например, применение одного из гербицидов (2,2-дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55 до 12%) и, соответственно, увеличению разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация.

Существуют различные виды биоиндикации. Если одна и та же реакция вызывается различными 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. Например, лишайники и хвойные деревья могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произрастания. Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численности видов в них могут свидетельствовать о загрязнении почв химическими веществами или изменении структуры почв под влиянием хозяйственной деятельности.

Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100-300 ПДК). В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Регистрирующие биоиндикаторы реагируют на изменения состояния окружающей среды изменением численности, фенооблика, повреждением тканей, соматическими проявлениями (в том числе уродливостью), изменением скорости роста и другими хорошо заметными признаками. В качестве примера регистрирующих биоиндикаторов можно назвать лишайники, хвою деревьев (хлороз, некроз) и их суховершинность. Однако с помощью регистрирующих биоиндикаторов не всегда возможно установить причины изменений, то есть факторы, определившие численность, распространение, конечный облик или форму биоиндикатора. Это один из основных недостатков биоиндикации, поскольку наблюдаемый эффект может порождаться разными причинами или их комплексом.

Накапливающие индикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды при помощи химического анализа.

Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором». Правда, у живых приборов есть серьезный недостаток - они не могут установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ. В то же время физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии. С помощью биоиндикаторов можно получить информацию о биологических последствиях и сделать только косвенные выводы об особенностях самого фактора.

Мониторинг с применением накапливающих биоиндикаторов зачастую требует применения сложных и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоемких методик, что под силу только специальным лабораториям. Но в основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования, а поэтому могут широко использоваться в школьном экомониторинге.

Наиболее конструктивно использовать биоиндикаторы одновременно с инструментальным контролем за состоянием окружающей природной среды, применяемым при локальном мониторинге источников или объектов загрязнения.

2.2 Растения биоиндикаторы

Растения биоиндикаторы -- это растения, для которых характерна резко выраженная адаптация к условиям окружающей среды.

При наличии таких растений можно качественно или количественно оценить условия окружающей среды.

Примеры растений биоиндикаторов:

Почва богата азотом: Крапива двудомная, Подмаренник цепкий, Купырь, Лебеда, Звездчатка средняя, Крестовник, Лютик едкий.

Почва бедна азотом: Очиток, Морковь дикая, Пупавка.

Кислые почвы: Пупавка полевая, Мята полевая, Черника, Эрика, Бухарник, Щавель кислый.

Щелочные почвы: Люцерна посевная, Льнянка, Фиалка полевая.

Известняк: Лютик, Прострел, Молочай-солнцегляд, Люцерна, Льнянка, Мать-и-мачеха.

Влажная почва: Щавель, Бодяк огородный, Сердечник луговой, Купальница европейская.

Заболачивание: Хвощ полевой, Таволга, Мята полевая, Мать-и-мачеха.

Солёные почвы: Солерос, Лебеда.

Песчаные почвы: Звездчатка средняя, Коровяк.

Уплотнённые почвы: Подорожник большой, Лютик большой, Лютик ползучий, Пырей ползучий, Лапчатка гусиная.

Глинистые и суглинистые почвы: Лютик ползучий, Одуванчик.

Тяжёлые металлы в почве: Фиалка, Анютины глазки, Сон-трава.

Открытый солнечный участок земли: Золотарник канадский.

Затенённый участок земли: Кислица, Сныть обыкновенная.
Многие живые организмы реагируют на любые изменения в окружающей среде. Это свойство замечать химические, экологические, физические изменения носит название биоиндикация, и проявляется в особенностях роста и развития этих живых организмов. Часто в виде индикаторов выступают именно растения или их группы, которые показывают качество условий проживания. Например, лишайники очень чувствительны к повышению в воздухе концентрации диоксида серы, поэтому вблизи автомагистралей, металлургических предприятий, ТЭС они практически не встречаются.

Из растений прибрежных зон или водоемов следует отметить, как индикаторы чистоты: кувшинки белые, ольха черная, верба. Они негативно реагируют на любое повышение уровня загрязненности. А вот чрезмерное «цветение» воды из-за сине-зеленых водорослей свидетельствует об органическом загрязнении.

Благодаря способности многих растений накапливать в себе вредные вещества, такие как тяжелые металлы, можно определить состав почвы и воздуха, проведя биохимический анализ частей растения. Из-за этого свойства не рекомендуется употреблять в пищу растения, произрастающие возле дорог или больших промышленных предприятий.

Критерии выбора биоиндикатора:

* быстрый ответ;

* надежность (ошибка <20%);

* простота;

* мониторинговые возможности (постоянно присутствующий в природе объект).

Типы биоиндикаторов:

1. Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы. Например, отклонения в поведении животных, в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены практически сразу после начала действия нарушающего фактора.

2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений. Например, лес на начальных этапах его загрязнения или вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). Лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т.д. таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу обнаружит нарушение среды.

Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик: специфичность и чувствительность.

При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой - только на один. При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой - на незначительные.

Раздел 3. Исследование загрязнений почвы с помощью анализа роста и развития биоиндикатора кресс-салат

3.1 Биоиндикатор кресс-салат

Кресс-салат - однолетнее овощное растение, обладающее повышенной чувствительностью к загрязнению почвы тяжёлыми металлами, а также загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей.

Побеги и корни под действием загрязнителей подвергаются морфологическим изменениям (задержка роста, искривление побегов, уменьшение длины и массы корней, а также числа и массы семян).
Привлекательны также и весьма короткие сроки эксперимента. Семена кресс-салата прорастают уже на 3-4 день, и на большинство вопросов эксперимента можно получить ответ в течение 10-15 суток.

Родиной этого растения считается Иран. В диком виде растение встречается в Африке, а также в Азии - от восточного побережья Средиземного моря до Пакистана.

Во многих регионах, в том числе в европейской части России, это растение дичает, и его можно встретить на помойках и в других местах рядом с жильём, на железнодорожных насыпях.

3.2 Использование метода биоиндикации на практике

Для эксперимента по биоиндикации загрязнений с помощью кресс-салата берем семена кресс-салата сорта «Дукат» ОАО «Аэлита-Агро» (рис.3) партии №2348, годность до 12.2016. Данные семена предназначены для любительского выращивания, проверены производителем и соответствуют ГОСТ 52171-2003.

Для проверки всхожести семена кресс-салата проращиваем в чашках Петри, в которые насыпаем промытый речной песок слоем в 1 см. Сверху его накрываем фильтровальной бумагой и на неё раскладываем определенное количество семян. Перед раскладкой семян песок и бумагу увлажняем до полного насыщения водой. Сверху семена закрываем фильтровальной бумагой и неплотно накрываем стеклом. Проращивание ведем при температуре 20-25°С. Нормой считается прорастание 90-95% семян в течение 3-4 суток. Процент проросших семян от числа посеянных называется всхожестью. После определения всхожести семян приступаем к проведению эксперимента.

Отбор проб был проведен в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84. Почвенные образцы были просеяны и распределены в однообразные полимерные емкости и были подписаны:

· Емкость №1 - Образец земли, взятый в санитарно-защитной зоне ОАО «Электротяга».

· Емкость № 2 - Образец покупной земли. Изготовитель: ЗАО «Селигер-Холдинг». ТУ 0391-030-57302407-05. Номер государственной регистрации: 0525-07-209-116-0-0-0-0. Грунт питательный «Я Земля» универсальный.

Заполняем до половины емкость №1 исследуемым субстратом. В емкость №2 кладем такой же объём заведомо чистого субстрата, который будет служить в качестве контроля по отношению к исследуемому материалу.

Субстраты в емкостях увлажняем одним и тем же количеством отстоянной водопроводной воды до появления признаков насыщения. В каждую емкость на поверхность субстрата укладывают по два пакета семян кресс-салата. Расстояние между соседними семенами должно быть по возможности одинаковым.

Покрываем семена теми же субстратами, насыпая их почти до краев чашек и аккуратно разравнивая поверхность. Увлажняем верхние слои субстратов до влажности нижних.

В течение 10-15 дней наблюдаем за прорастанием семян, поддерживая влажность субстратов примерно на одном уровне.

На третьи сутки появились первые ростки:

Емкость №1 - 57шт., емкость №2 -77шт.

На седьмые сутки соответственно: 60 и 87 шт.

Признаки, по которым производим биотестирование почвы: скорость прорастания семян и прирост высоты побегов. Результаты наблюдений записываем в таблицы (табл.1 и табл.2):

Таблица №1. Скорость прорастания семян кресс-салата

Исследуемый субстрат	Число проросших семян, %
	3 сутки	4 сутки	5 сутки	7 сутки	10 сутки	15 сутки
Емкость № 1	57	57	57	60	70	70
Емкость № 2	77	80	83	87	92	92

Таблица №2. Прирост высоты побегов кресс-салата

Исследуемый субстрат	Высота побегов, см
	3 сутки	4 сутки	5 сутки	7 сутки	10 сутки	15 сутки
Емкость № 1	0,5	1	1,4	3	6	6,3
Емкость № 2	0,9	1,3	1,9	3,7	6,9	7,4

Для оценки морфологических изменений растения вынимаем из земли рассматриваем и систематизируем в таблицу (табл.№3).

Таблица №3. Морфологические изменения

Морфологические изменения
Исследованный субстрат №1	Исследованный субстрат №2
Задержка роста	Рост нормальный
Побег не искривлен	Побег не искривлен
Перисторассеченность выражена слабо	Перисторассеченность выражена нормально
Выражено пожелтение окраски листьев	Окраска листьев зеленая

Растения кресс-салата, выращенные на субстрате №2, заметно отличаются от растений, выращенных на субстрате №1. У этих растений сильнее развита (по массе и длине) корневая система и наземная часть, у них больше листьев на побеге и они длиннее, чем у других опытных растений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

История вопроса об использовании растений в качестве чувствительных организмов к загрязнению окружающей среды уходит своими корнями в древние века. Первые наблюдения сделали еще античные ученые: Теофраст, Катон, Плиний старший, Колумелла.

На современном этапе развития человечества происходит бурное развитие методов биотестирования, как единственного подхода адекватной оценки состояния биологических и экологических систем. Для первичной оценки состояния окружающей среды используют специально подобранные тест-организмы. Разнообразные техногенные процессы и бурная «эпидемия автомобилизации» как фактор загрязнения городской окружающей среды ведут к накоплению различных соединений, в т.ч. и тяжелых металлов в почве, обуславливая ее загрязненность.

Городские почвы являются депонирующей средой практически для всех поллютантов и при геохимическом изучении транспортно-селитебных ландшафтов являются высоко информативными .[5]

В ходе исследования были получены следующие результаты. Опытное растение является регистрирующим биоиндикатором, так как реагирует на изменение состояния окружающей среды изменением фенооблика, изменением скорости роста, всхожестью и другими хорошо заметными признаками.

Как накапливающий индикатор, кресс-салат концентрирует загрязняющие вещества в своих тканях и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды.

В результате проведенного эксперимента по выращиванию семян кресс-салата на почве, взятой из санитарно-защитной зоны ОАО «Электротяга», без специального дорогостоящего оборудования, приборов и реактивов были установлены уровни загрязнения почвы.

Используя наблюдения за проростками кресс-салата и проанализировав полученные данные по внешним данным взошедших растений, можно сделать вывод, что в целом почва на данной территории действительно незначительно загрязнена, в целом безопасна, а в почве из магазина загрязнения отсутствуют.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 17.4.2.01-81 «Охрана природы. Почвы. Номенклатура санитарного состояния».

2. ГОСТ 17.42.02-83 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения».

3. ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа».

4. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / О. П. Мелехова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева и др.; под ред. О. П. Мелеховой и Е. И. Егоровой. -- М .: Издательский центр «Академия», 2007. 288 с.

5. Шунелько Е.В., Многокомпонентная биоиндикация городских транспортно-селитебных ландшафтов: Автореф. дис... канд. биол. наук.- Воронеж, 2000. - 245 с.

Размещено на Allbest.ur