Биоиндикация атмосферного воздуха
Лабораторная работа № 1
БИОИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО
ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ ЛИШАЙНИКОВ
Цель работы – определение степени загрязнения воздуха с использованием методов лихеноиндикации
Основные понятия
Лишайники — своеобразные симбиотические организмы, слоевище которых образовано грибом (микобионтом) и водорослью (фитобионтом) с преобладанием в большинстве случаев первого. Поскольку слоевише и плодовые тела лишайников грибные по своей природе, современная систематика рассматривает эту группу в общей системе царства грибов в качестве лихенизированных грибов. Подавляющее большинство лишайниковых грибов относятся к классу Аscomycest ‑ сумчатых грибов, образующих в результате полового процесса споры (аскоспоры), развивающиеся в гимениальном слое плодовых тел. Фотосинтезирующие компоненты лишайников относятся преимущественно к отделам зеленых (Сhlorophyta) или синезеленых (Суапорhуtа) водорослей. Водоросль снабжает гриб созданными ею в процессе фотосинтеза органическими веществами, а получает от него воду с растворенными минеральными солями. Кроме того, гриб защищает водоросль от высыхания.
По типу слоевища лишайники делят на накипные (корковые), листоватые, кустистые. Накипные‑ имеют слоевище в виде тонкой (гладкой или зернистой, бугорчатой) корочки и очень плотно срастаются с субстратом (корой, камнем, почвой), отделить их без повреждений субстрата нельзя. Листоватые — имеют вид мелких чешуек или пластинок, прикрепляются пучками грибных гиф (ризоидами) и легко отделяются от субстрата. Кустистые — имеют вид тонких нитей или более толстых ветвящихся кустиков, прикрепляющихся к субстрату своими основаниями.
Наиболее устойчивыми к загрязнителям являются накипные лишайники, среднеусгойчивы листоватые, а слабоустойчивы кустистые лишайники.
Эпифитные лишайники предпочитают старые деревья, причем для них имеет значение поверхность коры. На крупнобугристой коре старых деревьев обычно селятся кустистые виды, реже встречаются листоватые и накипные. На слабоморщинистой коре молодых деревьев растут листоватые и накипные виды, а на гладкой коре поселяются в основном накипные лишайники.
Процедура определения качества воздуха с помощью лишайников носит название лихеноиндикации.
Приборы, посуда, реактивы:
Атлас-определитель лишайников, специальное приспособление — палетка из толстого полиэтилена или целлофана в виде квадрата размером 10x10 см, каждая сторона которого разделена на 10 частей.
Порядок выполнения работы:
1. Получить у преподавателя задание.
2. Осмотреть место обследования – территорию, прилегающую к автомобильной дороге.
3. Обследовать деревья определенного вида на различном расстоянии от дороги (2-3 дерева на каждом расстоянии). Деревья должны быть примерно одного возраста и размера, не иметь повреждений.
4. Приложить прозрачную сетку плотно к стволу дерева на высоте 0,3-1,3 м (3-5 участков на каждом стволе). Подсчитать среднее количество квадратов с лишайниками на каждом участке, а затем рассчитать среднее значение этого показателя.
5. На каждом участке ствола подсчитать количество всех видов лишайников под прозрачной сеткой и количество лишайников доминирующего вида. Рассчитать среднее значение этих показателей для обследованного дерева.
6. Пользуясь табл. 1 и 2, оценить качество воздуха по степени проективного покрытия лишайниками стволов деревьев – указать степень загрязнения атмосферного воздуха в районе обследования.
7. Пользуясь каталогами-определителями лишайников, дать точное родовое и видовое название каждого лишайника. Пользуясь табл. 3 и 4, рассчитать биотический индекс и дать характеристику качества атмосферного воздуха на исследуемом участке.
8. В отчете привести родовое и видовое названия лишайников; сделать выводы о качестве воздуха (привести расчеты и таблицы).
9. Подсчитать индекс полеотолерантности вида (ИП) и определить ориентировочную концентрацию SO2 в атмосфере на исследуемом участке по табл. 5, 6.
Таблица 1 – Журнал данных лихеноиндикации качества воздуха по проективному покрытию ствола дерева
| Расстояние от автомобильной дороги, м | |||||||||||||||||||||||||||
| Номер дерева | |||||||||||||||||||||||||||
| Участки на стволах | |||||||||||||||||||||||||||
| Степень покрытия лишайниками, % | |||||||||||||||||||||||||||
| Общее число присутствующих лишайников | |||||||||||||||||||||||||||
| Количество видов лишайников | |||||||||||||||||||||||||||
| Виды лишайников и степень их покытия, % | |||||||||||||||||||||||||||
| Количество лишайников доминирующего вида |
Таблица 2 – Шкала качества воздуха по проективному покрытию лишайниками стволов деревьев
| Степень покрытия | Число видов | Число лишайников доминантного вида | Степень загрязнения |
| Более 50 % | Более 5 | Более 5 | 6-я зона. Очень чистый воздух |
| 3-5 | Более 5 | 5-я зона Чистый воздух | |
| 2-5 | Менее 5 | 4-я зона | |
| 20-50% | Более 5 | Более 5 | Относительно чистый воздух |
| Более 2 | Менее 5 | 3-я зона Умеренное загрязнение | |
| <20% | 3-5 | Менее 5 | 2-я зона Сильное загрязнение |
| 0-2 | Менее 5 | 1 -я зона Очень сильное загрязнение |
Таблица 3 – Рабочая шкала для определения биотического индекса
| Лишайник | Видовое разнообразие | Общее число присутствующих лишайников | ||||
| Уснея (Usnea sр), алектория (Alectoria/Вrуоriа sр.) | 0-1 | 2-4 | 5-7 | 8-10 | > 11 | |
| > 1 вида | - | |||||
| 1 вид | - | |||||
| Эверния (Evernia sр.), анаптихия (Anaptychia ciliaris), рамалина (Ramalina farinacea) | > 1 вида | - | ||||
| 1 вид | - | |||||
| Пармелия (Parmelia sр.), гипогимния (Hypogymnia physodes) | > 1 вида | - | ||||
| 1 вид | - | |||||
| Ксантория (Xanthoria parietina), фисция (Physciaceae pulverulenta) | > 1 вида | |||||
| 1 вид | ||||||
| Леканора (Lecanora sр.), графис (Graphis scripta), другие накипные лишайники | Все виды | - | - |
Таблица 4 – Классификация качества воздуха по биотическому индексу
| Класс качества | Степень загрязнения | Биотический индекс |
| 6-я зона: очень чистый воздух СS02 = < 0,005 мг/м3 | ||
| 5-я зона: чистый воздух СS02 = 0,005-0,009 мг/м3 | 7-9 | |
| 4-я зона: относительно чистый воздух СS02 = 0,01-0,05 мг/м3 | 5-6 | |
| 3-я зона: умеренное загрязнение СS02 =0,05-0,1 мг/м3 | ||
| 2-я зона: сильное загрязнение СS02 = 0,1—0,3 мг/м3 | 2-3 | |
| 1-я зона: очень сильное загрязнение СS02 =0.3-0,5 мг/м3 | 0-1 |
Таблица 5 – Классы полеотолерантности (А) и типы местообитаний эпифитных лишайников
| Классы полеотолерантности | Типы местообитаний лишайников и их встречаемость | Виды |
| I | Естественные, без ощутимого антропогенного воздействия | Lecanora аbietinа, Parmelia, самые чувствительные виды рода Usnea |
| II | Естественные (часто) и слабо антропогенно измененные (редко) | Evernia diviricata, Lecanora соilосаrра, Ramalina саliсаris |
| III | Естественные (часто) и слабо антропогенно измененные (часто) | Вrуоriа fиsсеsсепs, Hypogymnia tubulosa, Реrtusaria реrtusa, Usnea subfloridana |
| IV | Естественные (часто) и слабо (часто) и умеренно антропогенно измененные (редко) | Сеtrаriа рinаstri, Graphis scripta, Аrтеliорsis ambigula, Usnea filipendula |
| V | Естественные и слабо и умеренно антропогенно измененные с равной встречаемостью | Са1ор1аса руrасеа, Lecanora subfusсаtа, Parmelia оlivaсеа, Physcia aipolia |
| VI | Естественные (сравнительно редко) и умеренно антропогенно измененные (часто) | Evernia рrипаstri, Hypogymnia рhуsоdеs, Lecanora аllо рhапа, Usnea пitrа, Нуро сепотусе scа1аris, Реrtиsаriа disсоidеа |
| VII | Умеренно (часто) и сильно (редко) антропогенно измененные | Lecanora vаriа, Parmelia sи1саtа, Реrtиsаriа атаrа, Physcia аsсепdепs |
Продолжение табл. 5
| VIII | Умеренно и сильно антропогенно измененные (с равной встречаемостью) | Саloр1аса сеriпа, Рhуsсоniа grisеа, Ramalina pollinaria |
| IX | Сильно антропогенно измененные (часто) | Рhаeорhуsciа оrbiси1аris, Хаnthoriа раrietiпа |
| X | Очень сильно антропогенно измененные (встречаемость и жизненность видов низкие) | Lесапоrа соnizаеоidеs, Sсоliciоsроrum сhlоrососсит |
Индекс полеотолерантности вида (ИП), который соответствует определенной концентрации газообразных соединений, загрязняющих атмосферу, вычисляют по формуле:
ИП = 
, (1)
где сn ‑ общее проективное покрытие;
ai ‑ класс полеотолерантности i-го вида, определяемый по табл. 5 в соответствии с видом лишайника;
сi ‑ проективное покрытие i-го вида.
Таблица 6 – Индекс полеотолерантности (ИП) и среднегодовые значения SO2
| ИП | Концентрация SO2 в атмосфере, мг/м3 | Зона |
| 1-2 | - | Очень чистая |
| 2-5 | 0,01-0,03 | Чистая |
| 5-7 | 0,03-0,08 | Относительно чистая |
| 7-10 | 0,08-0,10 | Умеренно загрязненная |
| 0,10-0,30 | Сильно загрязненная | |
| Более 0,3 | Очень сильно загрязненная (лишайниковая пустыня) |
Обработка результатов и заполнение итоговых таблиц
Пользуюсь данными задания и табл.1 заполните итоговую табл.7.
| Вид исследованных деревьев | |||
| Расстояние от автомобильной дороги, м | |||
| Усредненная степень покрытия лишайниками, % | |||
| Количество видов лишайников | |||
| Количество лишайников доминирующего вида | |||
| Степень загрязнения |
Пользуюсь данными обследования и данными табл.2-4 заполнитеитоговую табл.8«Определение качества воздуха по биотическому индексу».
| Расстояние от автомобильной дороги, м | |||
| Количество видов лишайников | |||
| Виды лишайников | |||
| Видовое разнообразие (1 вид или> 1 вида) | |||
| Общее число присутствующих лишайников | |||
| Биотический индекс | |||
| Степень загрязнения, концентрация SO2 мг/м3 | |||
| Класс качества |
Пользуюсь данными обследования и данными табл.5, 6 заполните итоговую табл.9 «Определение индекса полеотолерантности и ориентировочной концентрации SO2 в атмосфере».
| Расстояние от автомобильной дороги, м | |||||||||
| Виды лишайников | |||||||||
| Класс полеотолерантности вида, определяемый по табл. 5 | |||||||||
| Проективное покрытие i-го вида | |||||||||
| Общее проективное покрытие | |||||||||
| Индекс полеотолерантности вида(ИП) | |||||||||
| Среднегодовая концентрация SO2 в атмосфере, мг/м3 | |||||||||
| Зона |
Вопросы для самоподготовки:
1. Дайте определение лишайникам.
2. Назовите и коротко охарактеризуйте основные виды лишайников?
3. Какие виды лишайников распространены в нашей климатической зоне?
4. От чего зависит индекс полеотолерантности вида?
Лабораторная работа № 2
СОСНА В КАЧЕСТВЕ ТЕСТ-ОБЪЕКТА В РАДИО- И
ОБЩЕЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Цель работы — экспресс-оценка качества воздуха территории по состоянию хвои Pinus sylvestris (Сосны обыкновенной).
Осовные понятия
Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнений воздуха, так и для оценки общего состояния воздушной среды.
Факт исключительно высокой радиочувствительности хвойных древесных пород был отмечен во многих исследованиях зарубежных и российских ученых. Так, на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРС) сосна погибла на участке с плотностью радиоактивного загрязнения более 6,7×1014 Бк/км2 (поглощенные дозы 30-40 Гр). Сосна по радиочувствительности близка к человеку (LD50= 20 Гр), поэтому она является одним из основных природных тест-систем в радио- и общеэкологических исследованиях.
Радиационные эффекты оцениваются по следующим критериям: гибель и восстановление деревьев; сроки восстановления; морфологические изменения хвои и побегов; количественные характеристики (радиальный и вертикальный прирост, масса и размер хвои и побегов). Репродуктивная способность оценивается по изменчивости семян.
Большинство выявленных морфологических изменений (морфозов) сосны, которая произрастала в радиоактивно загрязненных районах, связаны с изменениями в меристемных тканях ‑ это группа клеток в стадии активного деления и роста.
Хвойные породы, помимо их высокой радиочувствительности, особенно сильно страдают от сернистого газа.
Принцип предложенного в лабораторной работе метода основан на выявленной зависимости степени повреждения хвои (некрозов и усыхания) от загрязнения воздуха в районе произрастания сосны обыкновенной. Некрозы – отмирание ограниченных участков тканей. Сначала повреждается нижний эпидермис, затем клетки мезофилла. При одинаковом воздействии токсиканта сильнее повреждаются молодые листья (краевые некрозы, тип “рыбьего скелета”), чем старые (точковые некрозы). Происходит изменение цвета листьев или хвои, затем они буреют (у деревьев) или становятся совершенно белыми (часто у тюльпанов, гладиолусов, лука, злаков) или на листьях остаются разрывы, похожие на погрызы насекомых. Различают следующие виды некрозов (табл. 7):
- краевой некроз (по краям хвоинки);
- срединный некроз;
- точечный – отмирание тканей листа в виде пятен, рассыпанных по всей поверхности хвоинки.
Таблица 7 – Классы повреждения и высыхания хвои
| Классы повреждения (некрозы) | ||||||
| Классы усыхания | ||||||
 |  |  |  |  |  |
Классы повреждения: 1 ‑ хвоинки без пятен; 2 ‑ хвоинки с небольшим числом мелких пятен; 3 ‑ хвоинки с большим числом черных и желтых пятен. Классы усыхания: 1 ‑ на хвоинках нет сухих участков; 2 ‑ на хвоинках усох кончик 2-5 мм; 3 ‑ усохла 1/3 хвоинки; 4 ‑ вся или большая часть хвоинки сухая.
Приборы, посуда, реактивы:
Лупа, стенды с хвоей разной степени поврежденности.
Порядок выполнения работы:
1. Получить у преподавателя задание.
2. Оценить, пользуясь табл. 7, класс повреждения (некроз) и усыхания хвоинок сосны. Занести данные по всем хвоинкам в тетрадь. Провести статистическую обработку данных.
3. Определить продолжительность жизни хвои, используя рис. 1.
4. Провести экспресс-оценку загрязнения воздуха по классу повреждения хвои на побегах второго года жизни с учетом возраста хвои с помощью табл. 8.
5. Привести в отчете все типы повреждений хвои, указанных в задании; выводы о качестве воздуха (привести расчеты и таблицы).
| |
| |
| |
| |
1 ‑ 1 год; 2 ‑ 2 года; 3 ‑ 3 года; 4 ‑ 4 года
Рисунок 1 ‑ Участок побега, на котором проводят обследование хвои для экспресс-анализа качества воздуха
Таблица 8 – Экспресс-оценка загрязнения воздуха (I-VI) с использованием сосны обыкновенной (Рinus sуlvеstris)
| Максимальный возраст хвои | Класс повреждения хвои на побегах | ||
| I | I-II | III | |
| I | II | III-IV | |
| II | III | IV | |
| - | IV | IV-V | |
| - | IV | V-VI | |
| - | - | VI |
Примечание. I ‑ воздух идеально чистый; II ‑ чистый; III ‑ относительно чистый («норма»); IV ‑ загрязненный («тревога»); V ‑ грязный («опасно»); VI ‑ очень грязный («вредно»);- ‑ невозможные сочетания.
Заполнить таблицу и определить качество воздуха на обследуемом участке по табл. 7 и 8.
| Место отбора образцов | Возраст хвои | Класс усыхания | Класс поверждения | Качество воздуха |
Вопросы для самоподготовки:
1. Назовите критерии, по которым выбирается сосна в качестве тест-объектов?
2. Дайте определение термину: «некроз».
3. Назовите типы повреждения хвои.
Лабораторная работа №3
ФЛУКТУИРУЮЩАЯ АССИММЕТРИЯ ДРЕВЕСНЫХ И
ТРАВЯНИСТЫХ ФОРМ РАСТЕНИЙ КАК ТЕСТ-СИСТЕМА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СРЕДЫ
Цель работы — интегральная экспресс-оценка качества среды обитания живых организмов по флуктуирующей асимметрии листовой пластины березы повислой (Bétula péndula).
Осовные понятия
Наиболее удобными для целей биоиндикации являются следующие виды растений: травянистые ‑ сныть обыкновенная (Аеgороdiuт роdаgrаriа); мать-и-мачеха обыкновенная (Tussilágo fárfara); древесные: тополь бальзамический (Populus balsamifera), клен остролистный (Ácer platanoídes) и ясенелистный (Acer negúnd); береза бородавчатая (Веtи1а репdи1а); водные ‑ рдест пронзеннолистный (Potamogéton perfoliatus); рдест блестящий (Potamogeton lucens), рдест плавающий (Potamogeton natans).
Все перечисленные растения имеют четко выраженную двустороннюю симметрию, что является главным требованием метода. Кроме указанных растений часто для биомониторинга стабильности развития используют: подорожник большой (Plantágo májor) как наиболее пластичный вид травянистых растений; манжетку обыкновенную (Alchemilla vulgaris) и клевер гибридный (Trifolium hybridum) и ползучий (Trifolium repens) как луговые виды; ячмень (Hórdeum sр.), овес (Avena sр.) и пшеницу (Triticum sр.) как сельскохозяйственные культуры для оценки состояния агроценозов.
Береза бородавчатая (повислая) Bétula péndula и близкий к ней вид береза пушистая В.а1bа способны скрещиваться между собой, образуя межвидовые гибриды, которые обладают признаками обоих видов. Во избежание ошибок следует выбирать деревья с четко выраженными признаками одного вида.
Принцип метода основан на выявлении нарушений симметрии развития листовой пластины древесных и травянистых форм растений под действием антропогенных факторов.
Приборы, посуда, реактивы:
Курвиметр (линейка), транспортир, листья, собранные на участках с различной степеню загрязненности воздуха или гербарий листьев, индивидуальное задание на карточке.
Порядок выполнения работы
1. Получить у преподавателя задание на карточке.
2. В соответствии с рис. 2 измерить жилки листовой пластины. Занести данные по всем листьям в табл. 9 с обязательным указанием вида дерева и места сбора листьев. Провести статистическую обработку данных.
Рис. 2. Измерение длин жилок на листьях травянистых
и древесных пород
3. Провести экспресс-оценку загрязнения окружающей среды по результатам всех измерений. Сделать вывод о качестве среды обитания живых организмов в соответствии с табл. 9.
Таблица 9 ‑ Балльная система качества среды обитания живых организмов по показателям флуктуирующей асимметрии высших растений
| Виды | Балл | ||||
| Береза бородавчатая | < 0,055 | 0,056-0,060 | 0,061-0,065 | 0,065-0,070 | > 0,070 |
| Все виды растений | <0,0018 | 0,0019-0,0089 | 0,0090-0,022 | 0,022-0,04 | >0,04 |
Баллы соответствуют следующим характеристикам среды обитания живых организмов: 1 — чисто; 2 — относительно чисто («норма»); 3 — загрязнено («тревога»); 4 — грязно («опасно»); 5 — очень грязно («вредно»).
Обработка заключается в измерении длин жилок на листьях справа и слева. На рис. 2 цифрами обозначены листья следующих деревьев: 1 ‑ березы, измеряется первая жилка от основания листа; 2 ‑ тополя, первая жилка от основания листа; 3 ‑ остролистного клена, средняя жилка боковых пластин справа и слева; 4 ‑ мать-и-мачехи, вторая жилка от основания черешка; 5 ‑ клена американского, первая жилка от основания черешка;6 ‑ сныти, первая жилка от основания черешка; 7 ‑ клевера ползучего, первая жилка от основания черешка. Жилки измеряются курвиметром или линейкой с точностью до 1 мм. Интерес представляют не размеры жилок, а разница их длины справа и слева.
Существуют более детальные расчеты флуктуирующей асимметрии. С одного листа снимают показатели по пяти параметрам (рис. 3). Отдельно фиксируют «загнутость» макушки листа (рис. 4). Данные измерений заносят в табл. 9. Величину флуктуирующей асимметрии оценивают с помощью интегрального показателя ‑ величины среднего относительного различия по признакам (среднее арифметическое отношение разности к сумме промеров листа справа и слева, отнесенное к числу признаков).
1 ‑ ширина половинки листа (лист складывают пополам, потом разгибают и по образовавшейся складке проводят измерения); 2 ‑ длина рторой жилки от основания листа; 3 ‑ расстояние между основаниями первой и второй жилок; 4 ‑ расстояние между концами этих жилок; 5 ‑ угол между главной и второй от основания жилками
Рисунок 3 ‑ Параметры промеров листьев для детального расчета
1 ‑ не загнута; 2 ‑ загнута влево; 3 ‑ загнута вправо;
4 ‑ «ласточкин хвост»
Рисунок 4 ‑ Примеры «загнутости» макушки листа
Показатель асимметрии указывает на наличие в среде обитания живых организмов негативного фактора. Это может быть химическое загрязнение, изменение температуры, обитание биологического объекта на краю ареала и др. Показатель откликается повышением на изменение фактора и стабилен при адаптации к имеющимся условиям. Таким образом, на основании периодического вычисления показателя можно проследить изменения условий обитания объекта.
При балльной оценке используют таблицу соответствия баллов качества среды значениям коэффициентов асимметрии (табл. 9).
Обработка результатов
Коэффициент флуктуирующей асимметрии определяют по формуле, предложенной В.М.Захаровым:
, (2)
где Мd = 
— среднее различие между сторонами;
dl-r 
— различие значений признаков между левой (l) и правой (r) сторонами; п — число выборок.
После вычисления коэффициента флуктуирующей асимметрии необходимо сравнить полученное значение с табличными данными (табл. 9) и сделать вывод о степени загняненности атмосферного воздуха на исследуемом участке.
Схема записи результатов
| Место сбора | |||||||||||
| № | Ширина половинок | Длина 2-й жилки | Расстояние между основаниями 1-й 2-й жилок | Расстояние между концами 1-й 2-й жилок | Угол между центральной и 2-й жилками | Форма макушки | |||||
| л | пр | л | пр | л | пр | л | пр | л | пр | ||
Примечание: л — левая сторона; пр — правая сторона.
Вопросы для самоподготовки:
1. Дайте определение флуктуирующей ассиметрии растений.
2. Назовите наиболее удобные для целей биоиндикации виды растений.
3. От чего зависит флуктуирующая ассиметрия растения?
Лабораторная работа № 4