Оценка качества среды по уровню асимметрии морфологических структур листа берёзы белой

Цель работы:

Исследовать и оценить состояние среды методом определения величины изменяющейся асимметрии морфологических признаков берёзы белой.

Задачи:

1. Провести сбор материала в пунктах исследований согласно поставленной цели, в пределах п. Горноправдинска.

2. Вычислить уровень асимметрии листовых пластинок, собранных на данных экспериментальных площадках.

3. На основании полученных результатов, оценить качество среды, опираясь на шкалу оценки.

Методы исследования:

Поисково-исследовательский, экспериментальный, эмпирический (обработки статистических данных, сравнения).

Объект изучения:

Берёза белая или пушистая.

Предмет изучения:

Морфологические признаки листа Берёзы белой.

Научная новизна:

Подобного рода исследования были впервые проведены на территории Ханты-Мансийского района, оценка экологического состояния п. Горноправдинск была получена таким способом впервые.

Выводы:

1. Был вычислен уровень флуктуирующей асимметрии, что позволило оценить состояние окружающей среды в п. Горноправдинск.

2. По результатам исследований было установлено, что значение показателя асимметрии изменялся незначительно во всех трех выборках. 1 балл присвоен 2-ой и 3-ей выборке, 2 балла присвоено 1-ой выборке.

3. Анализ результатов позволил сделать вывод о том, что в пределах поселка экологическая обстановка соответствует норме, но уже по некоторым показателям у исследуемых растений видны отклонения от нормального фонового состояния.

Содержание

План исследования 1

1. Методика исследования 3

2. Природно-климатические условия района 5

2.1. Климатические условия Ханты-Мансийского

автономного округа – Югры

2.2. Климатические условия п. Горноправдинск 6

3. Результаты исследования 6

3.1. Методика обработки полученных результатов 6

3.2. Изложение результатов 7

4. Выводы 9

5. Перспективы 9

6. Литература 10

Приложение I 11

Приложение II 12

План исследований

Существуют различные биоиндикационные методы, которые не только говорят об уровне воздействия определенного фактора, но и отвечают на вопрос: на сколько это вредно для организма?

В данной работе был использован морфогенетический подход, который основан на оценки среды по состоянию отдельных индивидов, которое определяется путем подсчета отклонений от нормального морфофизиологического строения ряда структур. Данный морфогенетический подход подробно изложен в следующих работах: Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянии живых существ, Москва, 2003; Шадрина Е. Г., Вольперт Я.Л., Данилов В.А., Шадрин Д.Я, «Биоиндикация воздействия горнодобывающей промышленности на наземные экосистемы Севера: Морфогенетический подход», Новосибирск: «Наука» 2003 год; Федорос Е.И., Нечаева Г.А. Экология в экспериментах: учебное пособие для учащихся 10-11 классов общеобразовательных учреждений. - М.: Вентана – Граф, 2007.

Наиболее применим для этих целей учет проявлений флуктуирующей асимметрии – ненаследственного изменения, приводящего к асимметрии между правой и левой сторонами тела.

Фундаментальными исследованиями показано, что одно из внешних нарушений гомеостаза развития – отклонение в симметрии тела и отдельных органов; эти нарушения возникают на стадии формирования тканей, что приводит к нарушению всего организма. В результате таких сбоев возникают мелкие ненаследственные изменения, приводящие к асимметрии между правой и левой сторонами тела. Эти явления – следствие ошибок в ходе развития организма, их показатель минимален, но при усиленном воздействии на организм определенных стрессовых факторов возникает увлечение показателя асимметрии. 4

При проведении исследований использовали березу белую или пушистую – Betula alba L. как вид биоиндикатора, как наиболее распространенный и доступный вид в нашем районе для исследований.

В последнее время зависимость уровня флуктуирующей асимметрии организмов от степени антропогенного загрязнения среды является основой многих научных работ. Степень отклонения среды от нормы определяется по состоянию населяющих ее живых

2

организмов, которое, в свою очередь, определяется по нарушению стабильности развития наиболее распространенных видов и оценивается по пятибалльной шкале.3

Стабильность развития в баллах	Качество среды
1- балл	-условно нормальное
2-балл	-начальные (незначительные) отклонения от нормы
3-балл	-средний уровень отклонения от нормы
4-балл	Существенные (значительные) отклонения от нормы
5-балл	-критическое состояние

Стабильность развития как способность организма к нормальному развитию (без каких-либо нарушений) является чувствительным индикатором состояния природных популяций и позволяет оценивать суммарную величину антропогенной нагрузки. Получаемая интегральная величина асимметрии является оценкой качества среды, а также отвечает на вопрос – какова реакция живого организма на неблагоприятное воздействие, которое имело место в период его развития.

Таким образом, явление флуктуирующей асимметрии относится к числу общебиологических феноменов, наблюдаемых в разных группах организмов, и имеет разную причинную обусловленность (загрязнение среды химическими и радиационными поллютантами, генетическая дестабилизация, социальный стресс, обитание на периферии ареала). Благодаря этому параметры ФА могут пользоваться в теоретических и прикладных исследованиях как показатели напряжённости взаимоотношений организма и среды.

1. Методика исследований.

Сбор материала производился согласно методике оценки состояния природных популяций по стабильности развития.

Все сборы проводились на территории п. Горноправдинск, Ханты-Мансийского района. Выбирались деревья с четко определяющимися признаками березы белой, во избежание попадания гибридных форм.

Каждая выборка включает в себя 100 листьев (по 10 листьев с каждого дерева). Листья с одного растения хранятся отдельно, связаны за черешки. Все листья, собранные с одной выборки, необходимо сложить в полиэтиленовый пакет, туда же вложить этикетку. На этикетке необходимо указать:

• номер выборки,

• место сбора (делая максимально подробное описание данной местности),

• дату сбора.

Сбор материала следует проводить после остановки роста листьев (начиная с июля).

Для продолжительного хранения, собранный материал, можно хранить в полиэтиленовом пакете на нижней полки холодильника. Для длительного хранения надо зафиксировать материал в 60% растворе этилового спирта или гербаризировать.

При выполнении исследования должны выполняются следующие операции:

• Положить перед собой лист березы внутренней стороной.

• С каждого листа снять показатели по пяти промерам, с левой и правой стороны.

1 – ширина левой и правой половинок листа. Для измерения листовую пластинку складывают пополам, совмещая верхушку с основанием. Потом разгибают лист, и по образовавшейся складке измеряется расстояние от границы центральной жилки до края листа.

2 - длина жилки второго порядка, второй от основания листа.

3 – расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка.

4 - расстояние между концами этих же жилок.

5 – угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка.

Для исследований требуются циркуль-измеритель, линейка и транспортир. Результаты исследований заносятся в таблицу (см. Приложение I).

Полученные данные по промерам, заносятся в таблицы, которые вы можете посмотреть в приложении.

Растения являются чувствительным объектом, позволяющим оценивать комплекс воздействий, характерный для данной территории в целом, поскольку ассимилируют вещества и подвержены прямому воздействию одновременно из двух сред - почвы и воздуха. Кроме того, растения ведут прикрепленный образ жизни, и, таким образам, их состояние отображает, прежде всего, загрязнение конкретного локального местообитания. Для оценки показателя ФА используется лист как орган, обладающий билатеральной асимметрией, к тому же, данный орган обладает большой экологической восприимчивостью.

Надо отметить, что наиболее разработана методика выявления показателя ФА для березы белой или пушистой, к тому же, данный вид наиболее широко распространен на территории Ханты-Мансийского района.

Для мерных признаков величина асимметрии у растений рассчитывается как различие в промерах слева и справа, отнесенное к сумме промеров на двух сторонах. Интегральным показателем стабильности развития для комплекса мерных признаков является средняя величина относительного различия между сторонами на признак. Этот показатель рассчитывается как среднее арифметическое суммы относительной величины асимметрии по всем признакам у каждой особи, отнесенное к числу используемых признаков.

Для оценки степени выявленных отклонений от нормы, их места в общем диапазоне возможных изменений показателя разработана балльная шкала. По этой шкале условно

нормальное фоновое состояние принимается как первый балл; соответственно, диапазон значений, соответствующий критическому состоянию, принимается как пятый балл. Он соответствует тем популяциям, где есть явное неблагоприятное воздействие и такие изменения состояния организма, которые приводят организм к гибели.

Такая балльная система оценок по величине интегральных показателей стабильности развития для березы приведена ниже.

Балл	Величина показателя стабильности развития
I	<0,04
II	0,04 – 0,044
III	0,045 – 0,045
IV	0,05 – 0,054
V	>0,054

2.Природно-климатические условия районов исследований.

2.1. Климатические условия Ханты – Мансийского автономного округа – Югра.

Территория ХМАО расположена в центральной, наиболее пониженной части Западной Сибири.

Климат континенталый и сравнительно суровый. Это объясняет географическим положением, удаленностью на 2 тыс. км от теплого Атлантического океана, непосредственным примыканием территории на севере холодному Карскому морю, на востоке и юге – к обширным сухим материковым пространствам, а также особенностями рельефа и циркуляции воздушных масс в различные сезоны года.

На территории округа преобладает очень мало солнечной радиации.

Характерная черта климата округа – разнообразие и быстрая смена погоды во все сезоны года, особенно в переходные периоды – от осени к зиме и от весны к лету.

Протянувшись в меридиальном направлении, Уральский хребет влияет на климат округа, задерживая теплый и влажный воздух с запада.

В Обско–Иртышском регионе суровость климата усиливается сильными ветрами.

На территории округа во все сезоны года преобладает континентальные умеренные воздушные массы, но различия в режиме процессов циркуляции по сезонам года весьма ощутимы.

В среднем годовое количество осадков составляет ~ 550мм.

2.2. Климатические условия п.Горноправдинск.

Климат поселка резко-континентальный с суровой, длительной зимой и коротким, жарким летом. Среднегодовая температура воздуха, несмотря на высокие летние температуры, имеет отрицательное значение и составляет: -5С. Самые низкие температуры отмечаются в январе – средняя температура составляют -22С. В июле – самом жарком месяце - +17,3C.

Значение крайних температур составляет: -52С и +35С. Среднегодовое значение относительной влажности воздуха составляет: ~ 80% Годовой количество осадков составляет: 450-500мм преобладающими ветрами в течение всего года являются западные ветры.

Самые сильные ветры преобладают весной (~ 20м/с).

Из неблагоприятных атмосферных явлений следует отметить туманы и метели, число дней которых за год составляет соответственно 20 и 30.

Метели наблюдаются при юго-западных и юго-восточных ветрах.

Поверхность террасы равнинная, с преобладающими уклонами и осложнена сибирскими увалами.

3. Результаты исследований.

   0. 3.1. Методика обработки полученных результатов.

Исходя из полученных результатов (см.Приложение I), определялась величина ФА для каждой выборки по её дисперсии – относительной величины различия в промерах слева и справа, отнесённого к сумме.

Этапы, определения ФА:

1. Сначала для каждого промеренного листа вычисляются относительные величины асимметрии для каждого признака. Для этого модуль разности между промерами слева (L), и справа (R) делят на сумму этих же промеров: |L-R|/|L+R|,

2. Затем вычисляют показатель асимметрии для каждого листа. Для этого суммируют значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делят на число признаков.

3. На последнем этапе вычисляется интегральный показатель стабильности развития – величина среднего относительного различия между сторонами на признак. Для этого вычисляют среднюю арифметическую всех величин асимметрии для каждого листа. Это значение округляется до тысячных долей.

   0. 3.2. Изложение результатов.

Летом 2008 года был произведён сбор материала в трёх пунктах: один - из них был расположен возле дороги и строящейся начальной школы в районе средней общеобразовательной школы №1, другой - на пересечения двух центральных дорог посёлка в районе администрации Правдинской нефтегазоразведочной экспедиции (ПНГРЭ), третий – дорога в промышленную зону посёлка.

Стоит отметить, что во всех пунктах исследований берёза белая является одним из наиболее распространённых видов, особи которых расположены недалеко друг от друга.

Относительная величина асимметрии 1-ой выборки для каждого признака по формуле: (L-R) / (L+R)

Номер признака						Величина асимметрии
№	1	2	3	4	5
1	0,015	0,337	0,023	0,043	0	0,083
2	0,009	0,028	0,033	0,030	0,082	0,036
3	0,008	0,003	0,037	0,029	0,001	0,015
4	0,002	0,015	0,081	0,004	0	0,020
5	0,015	0,009	0,076	0,028	0,005	0,026
6	0,005	0,008	0,016	0,027	0,014	0,014
7	0,045	0,004	0,018	0,039	0,015	0,024
8	0,015	0,002	0,031	0,026	0,001	0,015
9	0,034	0,036	0,038	0	0,004	0,022
10	0,004	0,007	0,010	0,71	0,020	0,150
По итогам выборки:						Х=0,040

Относительная величина асимметрии 2-ой выборки для каждого признака по формуле: (L-R) / (L+R)

Номер признака						Величина асимметрии
№	1	2	3	4	5
1	0,025	0,003	0,094	0,004	0	0,025
2	0,022	0,008	0.031	0,045	0.005	0,022
3	0,018	0,004	0,016	0,018	0,001	0,011
4	0,022	0,006	0,025	0,009	0	0,012
5	0,029	0	0,011	0,004	0	0,008
6	0,039	0,018	0,053	0,017	0,002	0,025
7	0,021	0,010	0,121	0,020	0,008	0,036
8	0,080	0,226	0,046	0,031	0,016	0,079
9	0,027	0,010	0,045	0,019	0,017	0,023
10	0,055	0,004	0,066	0,007	0,008	0,026
По итогам выборки:						Х= 0,026

Относительная величина асимметрии 3-ей выборки для каждого признака по формуле: (L-R) / (L+R)

	Номер признака					Величина асимметрии листа
№	1	2	3	4	5
1	0,025	0,002	0,017	0,004	0,023	0,014
2	0,059	0,003	0,035	0,038	0,012	0,029
3	0,045	0,016	0,068	0,061	0,010	0,038
4	0,027	0,010	0,007	0,004	0	0,048
5	0,026	0,004	0	0,004	0,019	0,053
6	0,010	0,003	0,009	0,03	0,017	0,069
7	0,020	0,013	0,087	0,043	0,003	0,034
8	0,025	0,016	0,024	0,015	0,009	0,018
9	0,022	0	0,067	0,033	0,009	0,026
10	0,024	0,049	0,048	0,002	0,001	0,028
						Х=0,036

Средний уровень асимметрии

Выборка	Средний уровень асимметрии
1. В районе средней общеобразовательной школы №1	0,040
2. В районе (ПНГРЭ)	0,026
3. В районе дороги в промышленную зону посёлка	0,036

Интегральный показатель стабильности в 1-ой выборке (0,040) соответствует 2 – м баллам по бальной шкале. Данный показатель соответствует незначительному отклонению от условно нормального фонового состояния организма.

Анализируя показатели 2-ой и 3-ой выборок (соответственно 0,026 и 0,036), можно сделать вывод, что они соответствуют одному баллу по бальной шкале, что говорит о благоприятном микроклимате в районах исследования и показывает условно нормальное фоновое состояние растений.

Также следует отметить, что величина асимметрии некоторых листьев (1 выборка – 1 лист, 2 выборка - 8 лист, 3 выборка – 5,6 листья) соответствует 5 баллам по бальной шкале, что говорит о явном неблагоприятном, стрессовом воздействии и начальном изменении состояния организма.

4. Выводы:

1. Был вычислен уровень флуктуирующей асимметрии, что позволило оценить состояние окружающей среды в п. Горноправдинск.

2. По результатам исследований было установлено, что значение показателя асимметрии изменялся незначительно во всех трех выборках. 1 балл присвоен 2-ой и 3-ей выборке, 2 балла присвоено 1-ой выборке.

3. Анализ результатов позволил сделать вывод о том, что в пределах поселка экологическая обстановка соответствует норме, но уже по некоторым показателям у исследуемых растений видны отклонения от нормального фонового состояния.

5. Перспективы:

1. С целью выявления нарушений флуктуирующей асимметрий у листьев березы белой, мониторинг будет вестись на протяжении 3-х и более лет.

2. В 2009 году будет увеличено количество экспериментальных площадок с 3 до 5.

3. С 2010 года работа будет расширена за счет использования методик для определения загрязняющих веществ (или элементов) в клетках листа березы белой.

6. Литература.

1. Коллектив авторов: Ф. Г. Яковлевым др. научн. Редактор: В.Н. Винокуров, «Храни в душе дыхание тайги!» - Якутск, «Сахаполиграфиздат», 2005г., 104стр.

2. Константинов Е.Л. «Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук», Калуга, 2001.

3. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянии живых существ, Москва, 2003.

4. Шадрина Е. Г., Вольперт Я.Л., Данилов В.А., Шадрин Д.Я, «Биоиндикация воздействия горнодобывающей промышленности на наземные экосистемы Севера: Морфогенетический подход», Новосибирск: «Наука» 2003. – 110стр.

5. Федорос Е.И., Нечаева Г.А. Экология в экспериментах: учебное пособие для учащихся 10-11 классов общеобразовательных учреждений. - М.: Вентана – Граф, 2007. – 384стр.