Биоэкология ЙошкарОла, 2005 3 ббк 28. 708
 Скачать 7.87 Mb.
|
|
3.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Атмосфера – мощная газовая оболочка Земли, характеризующаяся резко выраженной неоднородностью строения и состава. Масса атмосферы составляет 5∙10 15 т. Десять девятых этой массы сосредоточенно в самом нижнем слое толщиной в 17 км. По особенностям строения атмосферу делят на четыре сферы тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Мощность тропосферы 8-10 км в полярных областях и 16-18 км у экватора. Это самая плотная часть атмосферы, иона непосредственно граничит с поверхностью океана и суши. Температура здесь понижается с высотой (до 6 о С сна каждый километр. Стратосфера разделена на две зоны нижнюю, достигающую высоты 25 км, и верхнюю, которая простирается до высоты 50 км. В стратосфере, на высоте 25 км расположен озоновый защитный слой, определяющий верхний предел жизни в биосфере. Выше стратосферы располагается мезосфера, достигающая 80 км от уровня моря и характеризующаяся мощностью 25 км. В мезосфере происходит понижение температуры с высотой. Далее располагается термосфера (ионосфера. Верхней оболочкой атмосферы является экзосфера, область диссипации атмосферных газов (преодоления атомами и ионами поля притяжения Земли, в результате которой Земля теряет то или иное количество атмосферных газов. Атмосфера нашей планеты состоит в основном из азота и кислорода в объемных долях 78 и 21 % соответственно (табл. 27). Кроме того, в состав атмосферы входят углекислый газ, озон, аргон, водород, гелий и некоторые другие газы, атак же водяной пар, содержание которого в среднем 2,4 г/см 3 Газовая среда, содержащая необходимые компоненты воздуха, является одним из важнейших экологических факторов. Кислород необходим всем живым организмам для дыхания, а другой компонент воздуха углекислый газ – обеспечивает воздушное питание зеленых растений фотосинтез. Большое физиологическое значение для различных организмов имеет концентрация кислорода в атмосфере (Акимова, Хаскин, 2001). Таблица 27 Состав земной атмосферы Составляющая Объемное соотношение, % Массовое содержание, % Азот 78,01 75,53 Аргон 0,93 1,28 Гелий 5,24∙10 -4 7,24∙10 -5 Оксид азота (I) 5,0∙10 -5 7,6∙10 -5 Кислород 20,95 23,14 Криптон 1,14∙10 -4 3,3∙10 -4 Метан 1,4∙10 -4 Неон 1,8∙10 -3 1,25∙10 -3 Углекислый газ 0,032 0,046 Временное изменение содержания кислорода на 2-3% не оказывает заметного физиологического действия, нов почве и глубоких норах животных его содержание может опускаться значительно ниже. При подъеме в высоту в связи со снижением атмосферного давления падает и парциальное давление кислорода, поэтому с определенного уровня начинают проявляться физиологические нарушения и включаются адаптивные механизмы. Атмосферный воздух в последние десятилетия интенсивно загрязняется путем привнесения в него или образования в нем загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровень естественного содержания. Таким образом, под загрязнением атмосферы понимается привнесение в атмосферу веществ в виде газа, пара или пыли в степени, оказывающей вредное воздействие на организмы, неживую природу или технические устройства. Это одно из наиболее опасных последствий научно-технической революции и использования человеком ископаемого топлива. Постоянное поступление в атмосферу больших количеств оксидов серы, азота и хлористого водорода приводит к заметному снижению рН атмосферных осадков и выпадению кислотных дождей, рН которых вместо нормальных 5,6-5,7 снижается до 3,2-3,7, а в ряде отдельных случаев до 2,0-2,5. Это приводит к деградации хвойных лесов, изменению водных экосистем, увеличивает вымывание почвенных катионов. Загрязнения любого масштаба по многочисленным цепям природных связей переходит из одной среды в другую. На этом пути первыми оказываются автотрофные организмы – растения. Газы, пыль, содержащие различные компоненты, легко проникают в ткани растения через устьица и могут непосредственно влиять на обмен веществ в клетках, вступая в химические взаимодействия на уровне клеточных стенок и мембран. Пыль, оседая на поверхности листьев, затрудняет поглощение света, нарушает водный обмен. Под действием загрязняющих веществ происходит подавление фотосинтеза, нарушение водообмена, многих биохимических процессов, снижение транспирации, общее угнетение роста и развития растений. Это приводит к изменению окраски листьев, некрозу, опадению листьев, изменению формы роста и т.д. 3.1.1. Накопление серы в листьях древесных растений Одним из наиболее распространенных токсичных промышленных загрязнителей является сернистый газ. Сернистый газ выделяется в атмосферу при сгорании органического топлива (уголь, нефть, газ, бензин) за счет разложения содержащих серу белков. Мощным источником выделения сернистого газа в городах является автотранспорт. Большинство растений обладают аккумулятивным эффектом, те. накапливают в своих органах токсические вещества, которые содержатся ввоз- душной среде. Попав внутрь листа, сернистый газ может включаться в общий метаболизм (образование содержащих серу белков, избыточное же количество сульфат-иона может превращаться в сульфаты. Наибольшее количество содержащих серу соединений скапливается вверх- ней трети листа, которую и следует использовать для анализов. ЗАДАЧА Определить накопление диоксида серы в листьях растений. Для выполнения работы взять листья древесных растений из относительно чистых и загрязненных районов города (прил, фото 5-6). Принцип метода основан на способности сульфат-ионов SO 4 2- образовывать с ионом Ва 2+ нерастворимый в кислотах белый осадок сульфата бария ВаCl 2 + Na 2 SO 4 = 2NaCl + ВаSO 4 Ход работы. Для определения гигроскопической влаги в листьях растений взвешивают пустой бюкс на электронных весах (рис. 16), затем помещают в бюкс навеску листьев массой от 0,1 доги снова взвешивают. Бюкс с навеской ставят в термостат, высушивают при температуре 100 С до воздушно-сухого состояния и взвешивают. Результаты взвешиваний записывают. Рис. 16. Электронные весы 2. Для озоления навеску листьев г помещают в фарфоровый тигель. Номер тигля и массу навески записывают. Озо- ление проводят в муфельной печи при температуре 200 Св течение 60 минут. За это время растительная навеска превращается водно- родную черную массу. Для полного озоления тигли выдерживают при температуре 500 Стем- пература красного каления) в течение часов. 3. После озоления осадок необходимо отмыть. Для этого берут мерную колбу на 50 мл, помещают в нее воронку с фильтром, предварительно смоченным дистиллированной водой. Золу из тигля высыпают в воронку с фильтром, тигель промывают водой и сливают ее в воронку. Далее продолжают отмывание золы. При этом сульфаты из золы переходят в фильтрат. 4. Необходимо проверить полноту отмывания осадка от сульфатов. Для этого берут несколько капель фильтрата из воронки и помещают на предметное стекло, прибавляют 1 каплю соляной кислоты и 1-2 капли 5%-ного раствора хлорида бария. Отсутствие помутнения свидетельствует о полном отмывании сульфатов. 5. Объем фильтрата доводят до 50 мл дистиллированной водой. Затем переливают его в стакан на 100 мл и добавляют 1-2 капли соляной кислоты (т.к. в кислой среде лучше идет осаждение. 6. Через 1 мин добавляют 5 мл осадителя для сульфатов, оставляют фильтрат на 20 мин для осаждения сульфатов. В присутствии сульфатов появляется белая взвесь - осадок сульфата бария. 7. Одновременно необходимо провести опыт с дистиллированной водой (нулевая проба. Для этого в стакан наливают 50 мл дистиллированной воды и постепенно добавляют реактивы в описанной выше последовательности. Через 20 мин измеряют оптическую плотность опытных растворов на фотоэлектрокалориметре КФК-2 против нулевой пробы, с длиной волны 400 нм (синий светофильтр, толщина кюветы 10 мм. Для определения содержания диоксида серы в 1 мл раствора необходимо построить калибровочный график. Результат выражают в мкг мл. Для построения калибровочного графика готовят серию стандартных растворов в мерных колбах на 100 мл согласно табл. 28: Таблица 28 Калибровочный график для определения серы Рабочий стандартный раствор (100 мкг/мл), мл 1 2 4 6 8 12 16 20 Вода дистиллированная, мл Довести до 100 мл Содержание SO 2 мкг/мл 1 2 4 6 8 12 16 20 Приготовление стандартных растворов А) готовят исходный раствор. Для этого берут K 2 SO 4 высушивают в течение 2 ч в сушильном шкафу при температуре 120-180 С. Затем берут навеску 0,272 г и растворяют в 100 мл дистиллированной воды. Данный раствор соответствует 1000 мкг/мл. Раствор можно хранить долго. Б) готовят рабочий раствор. Проводят кратное разбавление исходного раствора. Берут 10 мл исходного раствора, переносят его в мерную колбу на 100 мл и доводят водой до метки. Раствор содержит 100 мкг/мл. Вберут мл, 2 мл, 4 мл, 6 мл, 8 мл, 12 мл, 16 мл, 20 мл рабочего раствора переносят в отдельные пробирки и содержимое каждой доводят до 100 мл дистиллированной водой. Г) для приготовления шкалы стандартных растворов переносят в пробирки по 5 мл раствора и проводят все операции согласно ходу анализа. 8. Рассчитывают содержание серы по формуле %, , 10 4 2 1 М К К В А Х где Х – содержание серы в листьях на сухое вещество, %; А – концентрация сульфатов (по SO 2 ) по калибровочному графику, мкг/мл; В – объем фильтрата, взятый для анализа, мл К – коэффициент перевода сульфата вчистую серу (0,333); К – коэффициент гигроскопичности М – навеска листьев, взятая для озоления, г 10 4 – множитель для перевода мкг в г и %. Коэффициент гигроскопичности рассчитывают по формуле %, , 100 100 100 2 Е Д К где К – коэффициент гигроскопичности листьев Д – разность масс навески дои после высушивания, г Е – масса сырых листьев, г. 6. Данные оформляют в табл. 29, сравнивают содержание серы в образцах листьев, взятых в разных районах города, и делают выводы. Таблица 29 Содержание серы в листьях древесных растений (%) № Место отбора пробы Оптическая плотность (D) А, мкг/мл К 2 Х,% Оборудование и материалы 1) тигли фарфоровые 2) бюксы 3) колбы мерные на 50 мл 4) воронки стеклянные 5) стаканы на 50 мл 6) фильтры бумажные 7) пинцеты 8) промывалки; 9) предметные стекла 10) аналитические весы 11) технические весы 12) муфельная печь 13) сушильный шкаф 14) фотоэлектрокалориметр КФК-2. Реактивы 1) хлорид бария ВаСl 2 , 5 % раствор (в капельнице 2) соляная кислота HCl, разбавление 1:1, рН = 2,5-3,0 (в капельнице 3) осадитель сульфата бария (готовится из 5 % раствора ВаСl 2 , глицерина и этилового спирта в соотношении 1:3:3); 4) сульфат калия K 2 SO 4 Контрольные вопросы 1. Охарактеризуйте источники поступления диоксида серы в атмосферу. Какие мероприятия необходимо осуществлять для защиты окружающей среды от загрязнения диоксидом серы 3.1.2. Оценка качества среды по величине флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой (Шестакова, Стрельцов, Константинов, 2000; Захаров и др, Состояние природных популяций билатерально симметричных организмов может быть оценено через анализ величины флуктуирующей асимметрии, характеризующей мелкие ненаправленные нарушения стабильности развития и являющейся интегральным ответом организма на состояние окружающей среды. Растения, как продуценты экосистемы, в течение всей жизни привязаны к локальной территории и подвержены влиянию двух сред почвенной и воздушной, отражающих весь комплекс стрессирующих воздействий на систему. ЗАДАЧА По степени флуктуирующей асимметрии определить степень загрязнения атмосферного воздуха в различных по загазованности частях города. Ход работы. С 10-ти близкорастущих деревьев берут по 10 листьев с каждого (всего 100 листьев с каждого местообитания, например, вблизи промышленных предприятий, автодорог, в парке. Листья отбирают со средневозрастных деревьев с нижней части кроны, на уровне поднятой руки. У березы используют листья только с укороченных побегов (рис. 17). Листья с одного дерева связывают по черешкам. 2. С каждого листа снимают показатели по 5-ти параметрам с левой и правой стороны листа (рис. 18):1) ширина половинки листа (для измерения лист складывают поперек пополам, прикладывая верхушку листа к основанию, разгибают и производят измерения 2) длина второй жилки второго порядка от основания листа 3) расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка 4) расстояние между концами этих жилок 5) угол между главной жилкой и второй от основания жилкой второго порядка. Рис. 17. Типы побегов березы Рис. 18. Параметры листа 3. Первые четыре параметра измеряют с помощью циркуля- измерителя, угол между жилками – транспортиром. Данные измерений заносятся в табл. 30. Таблица 30 Результаты измерений листа березы повислой Дата Исполнитель Место сбора № листай признак й признак й признак й признак й признак лев. прав. лев. прав. лев. прав. лев. прав. лев. прав. 4. Величина асимметричности оценивается с помощью интегрального показателя – величины среднего относительного различия на признак (средняя арифметическая отношения разности к сумме промеров листа слева и справа, отнесенная к числу признаков. Для проведения вычислений пользуются вспомогательной табл. 31. Значение одного промера обозначают как Х, значение промера с левой и правой стороны обозначают соответственно как Х л и Х п . Измеряя параметры по 5-ти признакам (слева и справа, получают 10 значений Х 78 1) находят относительное различие между значениями признака слева и справа (Y) для каждого признака п л п л n Х Х X X Y Сначала необходимо найти разность значений измерений по одному признаку для одного листа, затем находят сумму этих же значений, а разность делят на сумму, найденное значение Y записывают во вспомогательную таблицу. В результате получаются 5 значений Y для каждого листа 2) находят значение среднего относительного различия между сторонами на признак каждого листа (Z). Для этого сумму относительных различий надо разделить на число признаков (N =5): ; 5 4 3 2 1 N Y Y Y Y Y Z n 3) вычисляется среднее относительное различие на признак для выборки (X). Для этого все значения Z складывают и делят на число этих значений, те. число листьев (n = 10): 10 3 2 Этот показатель характеризует степень асимметричности организма. Для данного показателя разработана пятибалльная шкала отклонения от нормы, в которой 1 балл – условная норма, а 5 баллов – критическое состояние (табл. 32). Таблица 31 Вспомогательная таблица для вычислений № листа 1 признак (Y 1 ) 2 признак (Y 2 ) 3 признак (Y 3 ) 4 признак (Y 4 ) 5 признак (Среднее относительное различие на признак (Z) Таблица 32 Бальные значения показателя асимметричности Балл Значение показателя асимметричности Балл Значение показателя асимметричности до 0,055 4 0,065-0,070 2 0,055-0,060 5 более 0,07 3 0,060-0,065 5. Данные оформляют в табл. 33 и делают выводы о степени загрязненности атмосферного воздуха в различных районах города. Таблица 33 Величина флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой Район исследования Бальные значения показателя асимметричности Оборудование и материалы 1) линейки 2) циркуль-измеритель; 3) транспортиры. Контрольные вопросы 1. Каков газовый состав атмосферы 2. Какие газообразные загрязняющие вещества содержатся в выбросах промышленных предприятий и автотранспорта 3. Как загрязнение воздуха воздействует на жизнедеятельность растительных и животных организмов 4. В чем заключается принцип метода определения флуктуирующей асимметрии листьев 3.2. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ Тяжелые металлы – опасные загрязнители окружающей среды. Среди них наиболее распространены свинец, кадмий, ртуть, цинк, молибден, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, хром, ванадий и т.д. Концентрация данных веществ в окружающей среде обусловлена в основном хозяйственной деятельностью человека, такой, как сбрасывание сточных вод, в которых тяжелые металлы содержатся в повышенных концентрациях, как результат выделений металлоплавильных производств, сжигание жидкого и твердого топлива, сопровождающееся выбросами в атмосферу и т.д. Для металлов в принципе не существует механизмов самоочищения они лишь перемещаются из одного природного резервуара в другой, взаимодействуя с различными категориями живых организмов и оставляя повсюду негативные последствия этого взаимодействия. Наибольшую опасность эти элементы представляют для человека, находящегося на вершине цепи питания, где он может получать продукты с концентрацией токсикантов враз более высокой, чем в почвах. В организм человека и животных бóльшая часть тяжелых металлов поступает из растительной пищи. Изучение локализации тяжелых металлов в растительных тканях и их способности к передвижению важно для понимания реакции на них растений. Кроме того, определение содержания тяжелых металлов имеет важное значение для экологического мониторинга. 80 3.2.1. Обнаружение тяжелых металлов в растениях гистохимическим методом В работе используется способность тяжелых металлов давать красное окрашивание при реакции с дитизоном: Дитизон обладает высокой чувствительностью к кадмию и свинцу и образует в присутствии исследуемых металлов нерастворимые соли – дитизонаты, окрашенные в красный цвет. Дитизон и дитизонаты практически нерастворимы в нейтральных и кислых водных растворах. Помимо кадмия и свинца дитизон может образовывать окрашенные комплексы с цинком, кобальтом, медью, хромом, железом, никелем и некоторыми другими металлами. Для обнаружения тяжелых металлов используют проростки кукурузы, у которых концентрации 10 -3 Ми М Cd(NO 3 ) 2 ингибируют рост корня на 50%, для других проростков (горох, огурец, подсолнечники т.д.) данные концентрации могут быть как ингибирующими рост корня на 50%, таки летальными. С помощью реакции с дитизо- ном можно исследовать любые растения и их органы из неблагоприятных и благоприятных районов города, растения водоемов, а также содержание тяжелых металлов в сточных водах, осадках и т.д. ЗАДАЧА Познакомиться с гистохимическим методом выявления ив растениях и изучить распределение тяжелых металлов в проростках кукурузы. Ход работы Работа складывается из двух этапов 1) выращивание проростков на растворах солей 2) приготовление срезов и их микроскопирование. 1. Зерновки кукурузы, предварительно обработанные в течение 10-20 мин слабым раствором формалина или перманганата калия, раскладывают по 7 штук в чашки Петри на фильтровальную бумагу и наливают в каждую чашку по 15 мл дистиллированной воды (контроль, раствор Pb(NO 3 ) 2 в концентрации Ми раствор Cd(NO 3 ) 2 в концентрации М. Чашки Петри выдерживают в термостате при температуре 26 Св течение семи дней, затем проводят измерения длины главного корня, колеоптиля и зоны боковых корней проростков. Для каждого варианта рассчитывают средние величины и процент к контролю (табл. 34). 2. Для определения локализации Cd ив растениях готовят серии поперечных срезов корня на разных расстояниях от апекса, а также срезы 81 колеоптиля и первых листьев на разных расстояниях от их оснований. Серии срезов помещают на предметное стекло, на него переносят 3-4 капли дитизона, накрывают покровным стеклом и через несколько минут рассматривают под микроскопом при разных увеличениях. 3. Полученные результаты записывают в табл. 34 и делают вывод о влиянии солей тяжелых металлов нарост проростков выполняют рисунки поперечных срезов корня и отмечают локализацию в их тканях Cd и Pb; делают вывод о локализации Cd ив тканях корня и о возможности продвижения тяжелых металлов по тканям выясняют, существует ли барьер для передвижения тяжелых металлов по тканям корня. 4. Данные оформляют в табл. 34 и делают выводы. Таблица 34 Влияние тяжелых металлов на проростки кукурузы Вариант опыта Длина главного корня Длина колеоптиля Длина зоны боковых корней см |