Н.М. Радченко, А.А. Шабунов
Методы биоиндикации в оценке состояния окружающей среды
Департамент образования Вологодской области
Вологодский институт развития образования
Н.М. Радченко, А.А. Шабунов
Методы биоиндикации в оценке состояния окружающей среды
Учебно-методическое пособие
Вологда
Печатается по решению РИС ВИРО
Рецензенты: Л.Г. Рувинова, доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой геоэкологии и инженерной экологии Вологодского государственного технического университета;
В.В. Петрова, кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии и экологии Череповецкого государственного университета.
Радченко Н.М., Шабунов А.А.
Методы биоиндикации в оценке состояния окружающей среды: Учебно-методическое пособие. – Вологда: ВИРО, 2006. – с.
В пособии представлены работы, которые можно использовать для оценки изменяющихся условий в индустриальных центрах, акватории, почве с помощью широко распространенных объектов: насекомых, гидробионтов, почвенных червей, паразитов, растений и проанализировать сложившуюся ситуацию в связи с антропогенными загрязнениями и естественной эволюцией экосистем, а также урбанизированных территорий.
Пособие предназначено для учителей, учащихся, студентов, осваивающих методы биомониторинга в оценке состояния наземных и водных экосистем.
© Радченко Н.М., 2006 г.
© Шабунов А.А., 2006 г.
Предисловие
Глобальные процессы образования и движения живого вещества в биосфере связаны и сопровождаются круговоротом огромных масс вещества и энергии. С появлением и развитием человечества процесс эволюции заметно видоизменился. Настоящее сдвиги в биосферных процессах начались в 20 веке в результате очередной промышленной революций. Бурное развитие энергетики, машиностроения, химии, транспорта, привело к тому, что человеческая деятельность стала сравнима по масштабам с естественными энергетическими и материальными процессами, происходящими в биосфере. Загрязняющие вещества, возникшие в результате хозяйственной деятельности человека, и их влияние на среду очень разнообразны. К ним относятся: соединения углерода, серы, азота, тяжелые металлы, различные органические вещества, искусственно созданные материалы, радиоактивные элементы и многое другое. Экологическое действие загрязняющих агентов может проявляться по-разному; оно может затрагивать либо отдельные организмы, либо популяции, биоценозы, экосистемы и даже биосферу в целом.
На организменном уровне может происходить нарушение отдельных физиологических функций организмов, изменение их поведения, снижение темпов роста и развития, снижение устойчивости к воздействиям иных неблагоприятных факторов среды. Учет всех этих изменений живых организмов и составляет основу метода биоиндикации. Биологический мониторинг - это слежение за состоянием среды с помощью биоиндикаторов, оценка и составление прогнозов развития экологической обстановки.
Метод биоиндикации актуален для Вологодской области, так как она относится к районам с повышенным промышленным механизмом. Высокие концентрации вредных веществ объясняются не столько наличием загрязняющих производств вчерте самого города Вологды, сколько переносом этих агентов воздушными массами из других районов, в частности Череповецкого. Мониторинговые исследования необходимы, потому что важно выявить негативные изменения вживых системах на ранних стадиях. Многие организмы более чувствительны к антропогенному воздействию, нежели человек и наблюдения за ними эффективнее и экономичнее. При этом зачастую являются более точными.
Животные и растительные организмы как элементы экосистем несут информацию о состоянии окружающей среды.
Изменения в экосистемах происходят не только вследствие антропогенного воздействия, но и в процессе их естественной эволюции. Изменение численности, миграции животных являются индикаторами трансформации экосистем.
Биомониторингом могут успешно заниматься все желающие. В работе нужно руководствоваться следующими принципами.
1. Объекты мониторинга должны быть достаточно крупными, хорошо узнаваемыми, которые можно исследовать визуально с помощью ручной лупы, бинокля.
2. Нужно помнить о безопасности во время проведения исследований на воде, в лесу, при работе с острыми инструментами, беречься от переохлаждения и солнечного удара.
3. Не следует выбирать для исследований объекты, опасные для здоровья и жизни (клещи, ядовитые животные).
4. Во время полевых работ необходимо иметь соответствующую экипировку, репелленты, аптечку. Все полевые работы проводятся при участии руководителя (учителя).
Роль школьников в контроле среды обитания с помощью биотестов может быть весьма значительной. Оценка воздействия загрязняющих факторов на окружающую среду имеет правовую основу. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» (2002) определяет права и обязанности граждан, общественных объединений в области охраны окружающей среды (глава 3).
Исследовательская деятельность развивает кругозор учащихся и способствует формированию экологической культуры.
Мы предлагаем работы, которые с успехом могут быть выполнены как в сельских, так и в городских школах.
Желаем успехов!
Величайшая цель образования – не знание, а действие.
Герберт Спенсер
Введение
Проблема экологического контроля состояния среды в городах и пригородных зонах привлекают все больше внимания. Это объяснимо концентрацией в городах подавляющей части и одновременно сосредоточием в урбанизированных зонах основной части производств с большими по объему токсическими для живой природы выбросами. В нашей стране и за рубежом накоплен уже немалый опыт проведения исследований в данном направлении, что обсуждается на региональных и международных совещаниях по отдельным компонентам биоты городов и пригородных зон, на которых рассматривается состояние воздушного и водного бассейнов, почвенной среды, растительности, птиц, зверей, беспозвоночных, микробоценозов в городах.
Город – искусственно созданная человеком среда, сравнительно новая среда обитания животных, весьма специфическая по всем своим параметрам. Для жизни животных в городе важны многие обстоятельства, на них всегда воздействует повышенная (на 1-2 °С) температура, загрязненность, «акустическое» неблагополучие среды, запыленность атмосферы, совершенно отличный от природного растительный мир.
Общение с природой для людей в больших городах имеет особую и все возрастающую важность; в связи с этим экологические исследования городской фауны приобретают большое практическое значение. Соответствующие данные необходимы для наблюдения за окружающей средой, оценки стабильности городских экосистем и снижения ущерба причиняемого животным. Получение как можно больших знаний о жизненном пространстве, в котором живут и работают люди, - одна из первоочередных задач экологических исследований.
Анализ городской фауны позволяет получить объективную информацию о том, насколько вредны для организмов существующие в любом городе загрязнение воздуха, воды, почвы, зеленых насаждений, насколько эффективны те или иные природоохранные мероприятия, какова динамика экологической обстановки города.
Каждый город во многом уникален, но ряд проблем актуален для всех урбанизированных систем. Для жизни животных в городе важны многие обстоятельства, но, тем не менее, многие жизненные формы потенциально являются пригодными для заселения города. Городские местообитания настолько резко изолированы друг от друга транспортными путями и постройками, что их можно рассматривать как островные. Исследования влияний различных факторов городской среды на беспозвоночных свидетельствует о реакции животных на своеобразие городских условий.
Так сернистые соединения (SO2, SO3) являются эффективными ингибиторами ферментов тлей и др. организмов, поэтому общее воздействие SO2 (через воздух и растительный сок) приводит к снижению их рождаемости. Установлено, что содержание азота во флоэмном соке является лимитирующих фактором питания тлей. Нитратная подкормка, повышающая доступность азота растений, а вследствие этого и для тлей, приводит к более длительному устойчивому повышению их рождаемости.
Под влиянием ртути происходит снижение интенсивности дыхания пчелиных.
Известны и морфологические реакции животных на своеобразие городских местообитаний:
· изменяются размеры и структура поверхности тела у пчелиных и жужелиц;
· уменьшаются крылья у сеноедов;
· проявляется меланизм у чешуекрылых, жуков, шмелей;
· изменяется окраска пауков, ногохвосток, тлей моллюсков.
В городских условиях происходят изменения в поведении животных:
· при размножении пауков;
· при гнездостроении у перепончатокрылых;
· при откладке яиц у точильщиков и златок.
В городах существует множество живых организмов, среди них огромную роль играют разнообразные и многочисленные насекомые. На суше насекомые являются доминирующей группой животных (консументами), которые активно участвуют в трансформации органического вещества в биосфере. Они являются важнейшей структурной единицей биоценозов, формируя специфические для каждой растительной ассоциации энтомоценозы.
Практически все животные и растительные организмы можно использовать в качестве биотестов. Наиболее удобны мелкие, короткоцикловые животные, у которых проявляется изменчивость при неблагоприятных воздействиях за сравнительно короткое время. Учитывая их многочисленность, поиск тест-объектов не представляет затруднений.
Отработанные методики могут применяться для оценки загрязнений естественных и урбанизированных территрий. Четкие результаты можно получить при индустриальном загрязнении населенных пунктов. Необходимо проводить биомониторинг регулярно, чтобы выявить динамику загрязнений, а также следить за информацией о загрязнителях. Следует учитывать, что возможен перенос загрязнителей на значительные расстояния от источников загрязнения.
Работа №2. Дождевые черви – индикаторы загрязнения почвы
Дождевые черви – сборная группа беспозвоночных, объединяющая несколько типов животных с двусторонне-симметричным вытянутым телом.
Черви участвуют во многих процессах, связанных с превращением органического вещества почвы и разложением растительных остатков. Они осуществляют механическое разложение листового спада и древесины, "опускают" растительные остатки в минеральные горизонты почвы, перемешивая органические и минеральные компоненты; в их кишечнике образуются глинисто - гуминовые компоненты, составляющие основы почвенной системы. В кишечнике дождевых червей наблюдается частичная минерализация растительных тканей.
Дождевые черви (земляные черви) на территории РФ представлены главным образом видами семейства люмбрицид (Lumbricidae). Это преимущественно крупные виды, входящие в состав макрофауны. Все дождевые черви - истинные геобионты. Многие выходят на поверхность почвы только ночью. В сырую погоду и особенно после дождя, когда их норки заливаются водой, они и днем в массовом количестве выползают на поверхность, за что и получили народное название «выползков».
Люмбрициды составляют три экологические группы поверхностно-живущие (подстилочные), почвенно-подстилочные и норники, прокладывающие глубокие ходы, которые они редко покидают. Виды двух последних групп взаимно заменяют друг друга в зональных почвах: почвенно-подстилочные заходят далеко на север, населяя заболоченные почвы тайги, а норники обитают в районах со средиземноморским климатом.
Подстилочные виды Deпdrobaena octaedra, Lumbricus castaneus, Allolobophora eiseni - наиболее мелкие, размеры их не превышают 6,5 см. Известны виды длиной 2-3 см и толщиной около 1 мм. Обитатель гумусового горизонта Lumbricus rubellus крупнее (до 13 см), а норники, например L. terrestris, достигают 25 см и более. Самые крупные дождевые черви в почвах РФ встречаются в горных районах - на Алтае. Размеры их до 40 и 45 см, а ходы проникают на глубину 4-5 м, в редких случаях даже до 8 м.
На территории нашей страны встречается около 100 видов люмбрицид, 11 видов занесены в Красную книгу РФ. Самый распространенный вид - Nicodrilus caligiпosus живет обычно в распаханных почвах, и поэтому его народное название – пашенный червь. Он серой окраски и имеет размеры около 15 см. Этот червь редко выползает на поверхность почвы, а живет на глубине 10-15 см, где питается перегнившими остатками корней и гумусом; в сухую погоду мигрирует глубже, до полуметра и более, там строит капсулу и временно впадает в спячку (диапауза). В благоприятные периоды численность его достигает 400-500 экз/м2. Для навозных и компостных куч характерен еще один вид земляных червей - Eisenia foetida, отличающийся наиболее яркой красной окраской и неприятным запахом. Этот вид имеет короткий цикл развития и размножается в кучах компоста и в парниках почти круглый год без диапаузы. Численность его достигает 1000 особей и более на 1 м2 при средних размерах около 8 см в длину.
Распространение дождевых червей связано с климатическими факторами и типом почв. Важным условием является влажность, при засухе обычно черви погибают в массовом количестве. Ранние заморозки тоже вызывают их гибель. Плохо они переносят и высокие температуры. Наименьшая численность дождевых червей отмечается в кислых почвах. Известкование дерново-подзолистых почв приводит к значительному увеличению развития в них червей. Дождевыми червями питаются птицы, землеройки, кроты, а также жужелицы и многоножки. В перегнойных почвах с нейтральной реакцией кроты, например, питаются почти исключительно дождевыми червями.
Влияние деятельности дождевых червей на почву многообразно. Прокладывая глубокие ходы (иногда на глубину 2 м и более), они увеличивают ее скважность, облегчают проникновение воды, воздуха и корней растений. Под 1 м2 поверхности почвы общая длина ходов червей превышает 1 км, а иногда достигает 8 км. Внутренние поверхности ходов червей покрыты специальными выделениями, придающими им прочность. Рост корней по этим ходам особенно облегчается в плотных глинистых горизонтах. При наличии ходов червей корни растений проникают значительно глубже, чем в случае их отсутствия. Черви перемещают почву, вынося часть ее на поверхность из нижних горизонтов и затаскивая вглубь растительный материал из подстилки. Под влиянием червей изменяется и химический состав почвы. Вырабатываемый специальными железами углекислый кальций нейтрализует кислоты, поэтому копролиты дождевых червей всегда имеют более высокое значение рН, чем почва. В них обильно развиваются бактерии, так что копролиты - это центры формирования специфических микробных сообществ.
Свою знаменитую книгу о роли дождевых червей в образовании плодородного слоя земли Ч. Дарвин (1881) заключил словами: «Плуг принадлежит к числу древнейших и имеющих наибольшее значение изобретений человека; но еще задолго до его изобретения почва правильно обрабатывалась червями и всегда будет обрабатываться ими. Весьма сомнительно, чтобы нашлись еще другие животные, которые в истории земной коры заняли бы столь видное место».
Дождевые черви являются биоиндикаторами, т.е. организмами, присутствие, количество и особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений, а также качества среды обитания. Черви наиболее чувствительны к загрязнению окружающей среды, т. к. они практически не защищены и дышат через кожу, и тем самым наиболее полно ощущают загрязнения.
Большое значение имеет изучение почвенной фауны как индикатора степени нарушения человеком естественного биоценоза и показателя возможности его восстановления. Это очень важно в нынешний период интенсивного использования химических веществ (удобрений, ядов и т.п.) и загрязнения ими педосферы.
Методика исследования