Иваново 2021

Обоснование и актуальность

Для успешного изучения и закрепления учащимися темы "Атмосфера. Загрязнение атмосферы" раздела "Геология" (второй год обучения объединения "Земля и Вселенная"), а также во время экологического практикума в комплексных геолого-палеонтологических и краеведческих экспедициях требуется проведение практической полевой работы по лихенологическому мониторингу окружающей среды как наиболее простому, доступному и эффективному экспресс-методу оценки качества атмосферного воздуха без привлечения инструментально-технических средств. Полученные и закрепленные на практике знания могут успешно применяться учащимися во внеурочное время для самостоятельных оценок антропогенной нагрузки на атмосферу.

Цель работы:

1) ознакомиться с теоретическими основами и методикой проведения лихенологического мониторинга окружающей среды;

2) провести лихеноиндикационные измерения заданного числа районов с разной антропогенной нагрузкой;

3) сделать выводы об уровне антропогенной нагрузки в исследованных районах.

Каждая природная система имеет свою реакцию на естественные, антропогенно-модифицированные и антропогенные факторы окружающей среды, которая отражается в пространстве и во времени. Время и пространство ответной реакции зависят и от реагирующей, и от индуцирующей систем. Поэтому правомерно все природные системы называть природными индикаторами.

Под индикаторами следует понимать такие природные системы любых уровней, которые на изменения окружающей их среды реагируют качественными изменениями собственных свойств, которые человек может регистрировать. Существуют различные виды природной индикации:

– фитоиндикация - в роли индикаторов выступают высшие растения;

– педоиндикация - индикация загрязнения окружающей среды по составу почвы;

– индикация по снежному покрову;

– лихеноиндикация - индикация состояния окружающей среды по видовому и качественному составу лишайников.

Лишайник - организм, тело (слоевище-таллом) которого постоянно состоит из двух компонентов - автотрофного фикобионта (водоросли) и гетеротрофного микобионта (гриба), образующих единое симбиотическое сожительство, отличающееся особыми морфологическими типами и особыми физико-биохимическими процессами. Растут лишайники практически на любой твердой поверхности: живых и мертвых деревьях, камнях, бетонных конструкциях, предпочитая слабощелочной субстрат. Для пассивной лихеноиндикации чаще всего используются эпифитные лишайники, то есть растущие на коре деревьев, как наиболее распространенные и доступные для наблюдения и изучения.

Лишайники растут медленно (2-4 мм в год), размножаются вегетативно и спорами. Для жизнедеятельности им необходимо наличие пяти факторов: солнечного света, определенной температуры, атмосферного воздуха, воды и питательных веществ. По типу слоевищ лишайники делятся на кустистые, листоватые, накипные и чешуйчатые. По отношению к загрязнению воздуха различают следующие типы лишайников:

1) самые чувствительные, исчезающие при первых симптомах загрязнения,

2) среднечувствительные,

3) выносливые.

Устойчивость к загрязнениям в ряду "кустистые - листоватые - накипные" повышается. К самым чувствительным относятся различные виды усней, цетрарий, лобарий, пельтигер, калоплак. К среднечувствительным видам относятся пармелии, кладонии, гипогимнии. Устойчивыми видами являются фисции, ксантории, леканоры. Повышенная чувствительность лишайников к загрязнению природной среды по сравнению с другими растениями объясняется рядом причин. Во-первых, у лишайников отсутствует непроницаемая кутикула (оболочка), в следствие чего обмен газов происходит свободно через всю поверхность. Во-вторых, большинство токсичных газов абсорбируется в дождевой воде, а лишайники впитывают дождевую воду всей поверхностью в отличие, например, от цветковых растений, которые поглощают воду в основном из почвы. В-третьих, в отличие от тех же цветковых растений некоторые лишайники активны и в зимнее время при отрицательных температурах. В-четвертых, лишайники не способны избавляться от пораженных ядовитыми для них веществами частей своего тела каждый год, как это происходит у покрытосеменных в виде сброса листьев и плодов. Перечисленные причины высокой чувствительности лишайников к загрязняющим веществам позволяют понять, почему данные представители растительного мира редко встречаются или вообще отсутствуют в пределах городской черты.

Считается, что наибольшее влияние на жизнедеятельность лишайников оказывают диоксид серы, диоксид азота, фториды, озон, тяжелые металлы; причем SO₂ является доминирующим фактором. Именно SO₂ определяет распространенность многих эпифитных лишайников. Установлено, что диоксид серы в концентрации 0,08-0,1 мг/м³ вызывает нарушение процесса фотосинтеза, появление бурых пятен в хлоропластах лишайниковых водорослей, деградацию хлорофилла, угнетение роста слоевищ. При низких значениях рН атмосферной влаги (3,2-3,4) хлорофилл необратимо окисляется, а при рН равном 2-3 он превращается в феофитин и расщепляется далее. Повышение влажности приводит к усилению растворения SO₂ и подкислению среды. По этой причине лишайники очень неустойчивы к фитотоксиканту при высокой влажности, но могут успешно выживать при достаточно большой концентрации SO₂, если таллом сухой. Также известно, что молодые талломы более чувствительны, чем старые.

Существует много методов лихеноиндикационных исследований:

– сравнение между одинаковыми видами лишайников на одинаковом субстрате с одинаковой ориентацией к солнцу;

– составление таблиц "скорость отмирания при определенных концентрациях загрязняющего вещества" и замеры фотографированием скорости отмирания талломов с последующим определением табличных концентраций токсиканта;

– составление карт частоты встречаемости лишайников и степени покрытия ими стволов и сопоставление их с картами, составленными на основании инструментальных замеров веществ в воздухе;

– расчет индекса чистоты атмосферы Деслувера-Лебланка;

– расчет индекса полеотолерантности Трасса;

– зонирование городских и пригородных территорий по видовому разнообразию встречаемых там лишайников (трехзонное, четырехзонное, семизонное и десятизонное деление).

1. Ознакомиться с гербарным и фотографическим материалом репрезентативных видов лишайников, произрастающих на территории города Иваново и в пригородных зонах (фотографии видов лишайников можно найти в интернете).

2. Выбрать n исследуемых районов с разной антропогенной нагрузкой для проведения лихенологического мониторинга. Число n задается преподавателем. Возможны два варианта работы: вся группа учащихся обследует все выбранные районы, либо группа разбивается на подгруппы, каждая из которых обследует заданный ей район, результаты объединяются.

3. В каждом районе обследование провести по следующей схеме.

3.1. Определить тип исследуемого района (жилая зона, промышленная зона, лесопарк, лес и т.д.).

3.2. Выбрать для обследования и замера процента проективного покрытия десять взрослых деревьев (диаметр ствола более 25 см) двух пород: для города 5 берез и 5 лип или 5 берез и 5 тополей, для леса 5 берез и 5 сосен.

3.3. Провести замер процента проективного покрытия со следующими условиями:

– замеры проводятся с четырех сторон стволов деревьев на высотах 0,5, 1, 1,5 и 2 м от поверхности земли (16 участков);

– замеры проводятся с использованием размерной рамки 20х20 см;

– при наложении рамки на участок определяются доли, занимаемые каждым видом лишайника к общей площади размерной рамки (в процентах).

3.4. Усреднить процент проективного покрытия для каждого обнаруженного вида по сторонам света и по дереву.

3.5. Полученные результаты внести в таблицу исходных данных.

3.6. Значения f_д усреднить по району в целом и внести полученные результаты в таблицу промежуточных данных. В эту же таблицу вносятся показатели жизнедеятельности обнаруженных видов по признаку наличия (+) или отсутствия (-).

Название района ________________________________________________________________

Н - высота от поверхности земли;

С - северная сторона ствола;

З - западная сторона ствола;

Ю - южная сторона ствола;

В - восточная сторона ствола;

f_с - усредненный процент по сторонам света: f_с(i) = (%_с+%_з+%_ю+%_в)/4;

f_д - усредненный процент по дереву: f_д(i) = (f_с0,5+f_с1,0+f_с1,5+f_с2,0)/4;

i - вид лишайника (в кодовом обозначении – см. таб. 1).

f_i - усредненный процент по району: f_i = (S f_д)/10;

k_у, k_н, k_в, k_м - коэффициенты жизнедеятельности видов.

3.7. Указать, присутствуют ли в данном районе неэпифитные виды (наличие неэпифитных видов в дополнение к эпифитным указывает на относительную чистоту воздуха), есть ли на стволах зеленый налет водоросли плеврококка (присутствие водоросли свидетельствует о высоких концентрациях диоксида серы и оксидов азота в воздухе).

3.8. Рассчитать модифицированный индекс чистоты атмосферы Деслувера-Лебланка

ИЧА = n k_нэ k_вп S(f_i k_i k_у k_н k_в k_м),

где n - число обнаруженных видов в данном районе;

k_нэ - коэффициент присутствия в районе обследования неэпифитных видов лишайников (k_нэ = 1,5 - неэпифитные лишайники присутствуют, k_нэ = 1 - неэпифитные лишайники отсутствуют);

k_вп - коэффициент присутствия в районе обследования налета плеврококка (k_вп = 0,8 - плеврококк присутствует, k_вп = 1 - плеврококк отсутствует);

S - сумма по i от 1 до n;

f_i - усредненный процент по району для вида i (берется из таблицы промежуточных данных);

k_i - коэффициент относительной токсифобности вида; он показывает относительную чувствительность вида к загрязнителям, в частности к SO₂; чем чувствительнее вид, тем выше значение коэффициента; значения k_i и кодовые обозначения видов лишайников приведены в таблице 1.

Коэффициент токсифобности некоторых видов лишайников (по SO₂)

3.9. Определить принадлежность исследуемого района к одной из семи зон загрязнения воздуха и приблизительный интервал концентраций SO₂ по таблице 2.

3.10. Проверить правильность расчета ИЧА и выбора зоны загрязнения по таблице 3.

4. Аналогичные расчеты провести для всех исследуемых районов.

5. Полученные результаты свести в таблицу итоговых данных, причем содержание SO₂ соотнести со среднесуточной предельно допустимой концентрацией для SO₂ 0,05 мг/м³.

6. Сделать выводы по работе.

1. Жизнь растений: в 6 т. / Гл. ред. А.А. Федоров, т. 3. Водоросли. Лишайники. - М.: Просвещение, 1977.

2. Загрязнение воздуха и жизнь растений. Пер. англ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

3. Артамонов В.И. Зеленые оракулы. - М.: Мысль, 1989.

4. Артамонов В.И. Растения и чистота природной среды. - М.: Наука, 1986.

5. Биоиндикация в городах и пригородных зонах. Сб. науч. ст. - М.: Наука, 1993.

6. Солдатенкова Ю.П. Малый практикум по ботанике. Лишайники. - М.: Просвещение, 1977.

7. Родивилова О.В., Коршунов М.Б., Беляков С.А. и др. Лихеноиндикация состояния воздушной среды г. Иваново. / Тезисы докладов I Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы химии и химической технологии - Химия-97" 15-25.09.97. - Ив.: Изд. ИГХТА, 1997.

8. Беляков С.А. Лихенологический мониторинг атмосферы города Иваново. / Сб. науч. тр. "Безопасность жизнедеятельности и экология текстильных предприятий". - Ив.: Изд. ИГТА, 2001.