Биоэкология ЙошкарОла, 2005 3 ббк 28. 708
 Скачать 7.87 Mb.
|
|
% см % см % Контроль 100 100 100 Раствор Раствор Оборудование и материалы 1) чашки Петри; 2) фильтровальная бумага 3) маркер по стеклу 4) термостат 5) проростки кукурузы. Реактивы 1) растворы Pb(NO 3 ) 2 (10 - 3 M), Cd(NO 3 ) 2 (10 -4 M); 2) реактив дитизон (готовится перед употреблением и не подлежит хранению 3) слабый раствор КМпО 4 или формалина. 3.2.2 Изменение цвета флавоноидных пигментов цветковых растений под влиянием солей тяжелых металлов Окраска цветков и плодов от красной до цвета слоновой кости, чаще всего, обусловлена пигментами флавоноидной природы, которые входят в группу фенольных веществ. В группу красящих веществ также входят и родственные соединения, среди которых наиболее распространены анто- цианы. Они обеспечивают гамму расцветок цветков от оранжевого до тем- но-лилового. Содержание антоцианов у красных георгин может достигать 24 %, а в фиолетовых цветках анютиных глазок их обнаружено 33 %. Цвет зависит от числа гидроксильных групп, метильных или гликозильных остатков. Например, красный пеларгонидин (С 15 Н 12 О 6 ) находится в виде гликозидов в цветках герани розовой, васильков, георгин, астр, в ягодах земляники. Флавоноиды и антоцианы могут менять свою окраску в связи с изменением условий среды, а фенольные пигменты – в комплексе с металлами, т.к. природа металла влияет на характер окраски. Так, в комплексе с молибденом появляется фиолетовая окраска, с железом – синяя, с медью – белая. При усиливающемся загрязнении окружающей среды показатель изменения окраски цветков у растений может быть использован в качестве индикационного изменяется цвет всего растения или отдельных его частей, а также появляются точечные изменения цвета листьев, лепестков и плодов. ЗАДАЧА Выявить влияние различных солей тяжелых металлов на изменение окраски отдельных частей растений. Ход работы. Лепестки сухих или свежих антоциансодержащих растений пионы, тюльпаны и т.д.) заливают горячей дистиллированной водой, чтобы они размякли, растирают пестиком до состояния жидкой кашицы. Выжимают через марлю в стакан и разливают содержимое по пробиркам, один образец раствора оставляют для контроля. Поочередно в каждую пробирку добавляют по несколько капель растворов солей тяжелых металлов и следят за изменением окраски. 2. Листья краснокочанной капусты помещают в чашку Петри, заливают полностью или частично (в виде накапывания) растворами солей тяжелых металлов и следят за изменением окраски. 3. Готовят водную вытяжку бетацианина из красной столовой свеклы. Для этого при помощи сверла делают диски из свеклы. По 2 диска помещают в пробирки с 5 мл воды, встряхивают. Затем в каждую пробирку добавляют равное количество используемых солей тяжелых металлов и следят за изменением цвета раствора, зарисовывают и делают выводы. 4. Данные оформляют в табл. 35 и делают выводы о влиянии солей тяжелых металлов на изменение цвета флавоноидных пигментов. Таблица 35 Действие различных веществ на окраску растений Название растений Растворы Контроль CoSO 4 CuSO 4 FeCl 3 Pb(NO 3 ) 2 ZnSO 4 Оборудование и материалы 1) пробирки 2) штативы 3) ступки с пестиками 4) глазные пипетки 5) стаканы 6) воронки 7) марля 8) лепестки цветков (высушенные или свежие пиона, мака, розы, герани 9) краснокочанная капуста 10) столовая свекла. Реактивы 1) 5 %-ные растворы солей тяжелых металлов Pb(NO 3 ) 2 , FeCl 3 , ZnSO 4 , CuSO 4 , CoSO 4 ; 2) горячая дистиллированная вода. Контрольные вопросы 1. Каковы механизмы токсического действия тяжелых металлов на растения 2. Какие растения являются наиболее устойчивыми к действию тяжелых металлов и почему 83 3. В г. Йошкар-Оле существует общественная экологическая организация Розовый одуванчик. Чем обусловлено такое название организации 3.2.3. Определение степени экологического загрязнения различных субстратов с помощью биотеста на проростках Биотестирование с помощью растений разнообразных субстратов (воды, почвы и т.д.) является стандартным приемом и может быть использовано при оценке степени их загрязнения. Преимуществом биотестирования (как первичного этапа, например, перед химическим анализом) является простота операций, минимальное оборудование и достаточно быстрое получение ответа. Поскольку корневые системы очень отзывчивы на воздействия среды, то и учет проводится в основном на них. ЗАДАЧА Определить степень экологического загрязнения воды и почвы. Ход работы. Закладывают биотест. Для этого на 10-20 мин семена огурца, кресс-салата, горчицы и др. помещают в 1%-ный раствор перманганата калия или формалина, а затем отмывают водой и раскладывают в чашки Петри по 12 штук. В каждую чашку Петри вводят по 10 мл испытуемой жидкости, а в контрольный вариант – дистиллированную воду. Испытуемыми жидкостями могут быть образцы воды из городского водопровода, ближайших водоемов (пруда, озера, реки) и из отстойников очистных сооружений канализации. 2. При оценке загрязнения твердого субстрата (почвы из разных районов города, осадки сточных води т.д.) навеску субстрата (3-5 г) помещают на дно чашки Петри и равномерно распределяют по дну, закрывают субстрат бумажным фильтром и заливают 20-30 мл дистиллированной воды на сутки. Наследующий день на поверхность фильтровальной бумаги раскладывают семена, также по 12 штук в каждую чашку. Чашки Петри помещают в термостат при температуре 26 Сна четверо суток. 3. Затем проводят измерения длины главного корня и зоны боковых корней у 10 проростков. Измерения проводят с помощью линейки или полоски миллиметровой бумаги. Данные вносят в табл. 36 и 37. Проводят статистическую обработку полученных данных (см. п. 2.2.1). Делают вывод о чувствительности биотеста и о возможности его применения к данным исследованиям, дают характеристику среды с экологической точки зрения и данных биотестирования. Таблица 3 6 Учет длины главного корня и зоны боковых корней у проростков огурца Вариант опыта Длина главного корня, см Длина зоны боковых корней, см Повторности Повторности 1 2 3 … 10 Σ* X * 1 2 3 … 10 Σ X Контроль (дистиллированная вода) Вода водопроводная Вода из пруда, озера или реки Вода из отстойников очистных сооружений канализации Почва из разных районов города Осадки сточных вод * Σ сумма, X средняя величина. Таблица Влияние водных сред нарост главного корня проростков огурца Вариант опыта Средняя длина главного корня Средняя длина зоны боковых корней см % см % Контроль (дистиллированная вода) 100 100 Вода из водопровода Вода из пруда, озера или реки Вода из отстойников очистных сооружений канализации Почва из разных районов города Осадки сточных вод 3. Данные оформляют в табл. 36-37 и делают выводы. Оборудование и материалы 1) чашки Петри; 2) фильтровальная бумага 3) мерные пипетки на 10 мл 4) маркер по стеклу 5) термостат 6) весы 7) разновесы 8) линейки 9) семена огурца, кресс-салата, горчицы и др. Реактивы 1) 1 %-ный раствор перманганата калия или слабый раствор формалина 2) дистиллированная вода 3) образцы водных сред из городского водопровода, ближайших водоемов (пруда, озера, реки, вода из отстойников очистных сооружений канализации, а также твердые субстраты (почва, сточные осадки. Контрольные вопросы 1. Какие элементы относятся к тяжелым металлам 2. Назовите источники загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. 85 3. Как воздействуют тяжелые металлы на растительные и животные организмы 3.3. НИТРАТЫ Нитраты являются основным элементом питания растений, произрастающих на земле, поскольку в них входит азот – основной строительный материал для них. Нитраты представляют собой соли азотной кислоты. Основной источник нитратов – минеральные удобрения, содержащие ион NO 3 - натриевая, калиевая и аммиачная селитры. В естественных условиях, например в лесу, содержание нитратов в растениях небольшое (от 1 до 30 мг на 1 кг сухой массы) – они почти полностью переходят в органические соединения (аминокислоты, белки и т.д.). В культурных растениях (капуста, картофель, редис, свекла и т.д.) привоз- делывании их на удобренной почве количество нитратов возрастает вне- сколько раз (от 40 до 12000 мг на 1 кг сухой массы) (прил, фото 14-15). Накопление нитратов в некоторых сельскохозяйственных культурах обычно связано с переудобрением или неправильным внесением минеральных удобрений (в легкорастворимой форме, без заделки в почву, непосредственно перед снятием урожая и т.п.). Сами нитраты не отличаются высокой токсичностью, однако под действием микроорганизмов или в процессе химических реакций восстанавливаются до нитритов (солей азотистой кислоты – NO 2 - ) (рис. 19). Рис. 19. Ассимиляция NO 3 - и его топография у растений с нитратвосстанавли- вающей активностью а – в корнях б – в листьях в в корнях и листьях Нитриты способны вступать в реакцию с аминами, содержащимися в желудочном соке человека и животных, и образовывать нитрозами- ны, которые в настоящее время оцениваются как сильные канцерогены. Кроме того, нитриты вступают в реакцию с гемоглобином крови и превращают содержащееся в нем двухвалентное железо в трехвалентное, при этом возникает метгемоглобин, неспособный к переносу кислорода. Имеются и другие пути поступления нитратов в организм человека незначительное количество нитратов содержится в табачном дыму, пищевых добавках и питьевой воде (Соколов, 1992). 3.3.1. Обнаружение нитратов в растениях Поданным Министерства здравоохранения Российской Федерации, предельно допустимая концентрация (ПДК) нитратов для взрослого человека составляет 500 мг в сутки, токсичная доза – 600 мг. Данные Института почвоведения и фотосинтеза АН России по содержанию нитратов в некоторых культурных растениях приведены в табл. 38. Таблица 38 Содержание нитратов, мг/кг; нормы, установленные Министерством здравоохранения для поздней продукции открытого грунта Объект min max ПДК Объект min max ПДК Арбуз 44 572 60 Картофель 44 968 250 Дыня 44 484 90 Лук репчатый 66 880 80 Кабачок 196 704 400 Морковь 176 2200 250 Капуста 66 2860 500 Огурец 88 528 150 Для обнаружения нитратов можно использовать реактив с дифениламином, который в присутствии иона NO 3 – дает синюю окраску. По интенсивности посинения можно судить о количестве нитратов в растении (табл. 39). Таблица 39 Шкала для определения нитратов в срезах и соке растений Окраска среза или сока Наличие нитратов Нет окраски Нитраты отсутствуют либо их содержание незначительное Синяя, сохраняется несколько минут Нормальное содержание нитратов Темно-синяя, устойчивая Избыточное содержание нитратов ЗАДАЧА Определить содержание нитратов в соке ив различных органах растений. Ход работы. На поверхность стекла наносят по капле растворов 10, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 мг/л KNO 3 или NaNO 3 и добавить каплю 1 %-ного раствора дифениламина. Полученную окраску растворов описывают, и данные заносят в табл. 40. С помощью полученной шкалы оценивают содержание нитратов в растительном материале, сравнивая с ней по цвету опытную пробу. Таблица 40 Концентрационная шкала окраски на нитраты Концентрация NaNO 3 , мг/л Изображение цвета Описание цвета 2. При помощи ручного пресса получают сок из вегетативных или подземных органов исследуемых растений, предварительно завернутых в кусочек марли. При отсутствии ручного пресса части органов помещают в бюкс и ставят его на водяную баню на 20-30 минут. Затем сок отжимают через марлю и помещают на поверхность стекла. Одновременно острой бритвой делают срез тканей изучаемого органа. 3. На выжатый соки сделанный срез помещают каплю 1%-ного раствора дифениламина. Количество нитратов оценивают поданным концентрационных шкал окраски (табл. 39, 40). 4. Данные оформляют в табл. 41 и делают выводы. Таблица 41 Содержание нитратов в растениях Объект Исследуемый орган растения Окраска Количество NO 3 - , мг/кг сока среза Оборудование и материалы 1) стекла 2) пинцет 3) стеклянные палочки 4) фильтровальная бумага 5) ножницы 6) скальпель 7) бритва. Реактивы 1) KNO 3 или NaNO 3 в концентрациях, мг/л: 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200, 100, 50, 10; 2) 1 %-ный раствор дифениламина в концентрированной H 2 SO 4 в капельнице (хранить в темноте. Контрольные вопросы 1. В какой форме усваивается азот растительными организмами 2. В каких частях растений происходит накопление нитратов 3. Какова роль избытка и недостатка азотных удобрений для растений 4. Какое действие на организм оказывают большие дозы нитратов Глава 4. УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ Устойчивость к условиям окружающей среды представляет собой одно из проявлений общебиологического принципа гомеостаза, то есть способности организма сохранять относительное постоянство внутренней среды при изменении внешних условий. Устойчивость организма обеспечивается совокупностью специфических и неспецифиче- ских механизмов. При этом комплекс неспецифических изменений, возникающих в результате различных неблагоприятных воздействий, называется стрессом. На всех этапах влияния неблагоприятного фактора отмечаются неспецифические реакции, которые могут проявляться в стратегии включения адаптивных механизмов растений в ответ на воздействие. Это могут быть либо уход от воздействий, либо приспособление к существованию в условиях стресса (торможение деления и роста клеток и растения в целом, подавление дыхания и энергетики, нарушение функций мембран, торможение синтетических и усиление гидролитических процессов, снижение рН цитоплазмы и т.д.). Методы установления устойчивости к стрессовым факторам основаны на неспецифических реакциях живых организмов на различные воздействия. 4.1. ГАЗОУСТОЙЧИВОСТЬ Газоустойчивость – это способность растений противостоять действию газов, сохраняя нормальный рост и развитие. К газообразным загрязняющим веществам относятся сернистый газ (SO 2 ), оксиды азота (NO, NO 2 ), угарный газ (CO), соединения фтора, углеводороды, пары кислот (азотной, серной и соляной) и фенола и т.д. В промышленных выбросах (прил, фото 7-8), как правило, преобладает сернистый газ (SO 2 ), который относится к кислым газами является наиболее токсичным для растений (табл. 41). Газоустойчивость зависит от фазы развития, интенсивности роста, возраста растений, эколого-географического происхождения, экологической пластичности видов, их положения в эволюционной системе и от видовой специфики. Например, древесные растения менее чувствительны, чем травянистые. Обычно по степени устойчивости выделяют устойчивые, среднеустойчивые и неустойчивые растения (табл. 42) прил, фото 9-12). Таблица 41 Основные растения-индикаторы загрязнения атмосферного воздуха (Кулагин, 1974; Сергейчик, 1985) Компоненты Древесные породы Культурные растения Диоксид серы Ель европейская, пихта сибирская, сосна обыкновенная, ясень американский Пшеница мягкая, ячмень обыкновенный, гречиха съедобная, люцерна посевная, горох посевной, клевер, хлопчатник, фиалка полевая Фтористый водород Ель европейская, пихта сибирская, сосна обыкновенная, орех грецкий Виноград культурный, абрикос, петрушка, гладиолус, ландыш майский, тюльпан, нарцисс, рододендрон Аммиак Граб обыкновенный, липа сердцевидная Сельдерей, табак Хлористый водород Ель европейская, пихта кавказская, лиственница европейская, ольха клейкая, лещина обыкновенная Фасоль обыкновенная, шпинат, редис, смородина золотистая, клубника Озон Сосна веймутова Табак, картофель, соя культурная, томаты, цитрусовые Тяжелые металлы Тсуга канадская, вяз гладкий, боярышник кроваво-красный Виды рода овсяница, орхидеи Таблица 42 Устойчивость древесно-кустарниковых растений в городской среде (Кулагин, 1974; Лархер,1978; Сергейчик, 1985) Газоустойчивые виды Среднегазоустой- чивые виды Неустойчивые виды Особо пылеустой- чивые виды Боярышник кро- ваво-красный, бузина красная, ель колючая, клен ясенелист- ный, смородина золотистая, снежноягодник белый, тополь канадский, туя западная Береза бородавчатая, вяз гладкий, граб обыкновенный, лещина обыкновенная, лиственница сибирская, можжевельник обыкновенный, дуб череш- чатый, жасмин, жимолость татарская, ива белая, тополь пирамидальный, черемуха обыкновенная, яблоня лесная, ясень зеленый Барбарис обыкновенный, ель европейская, пихта сибирская, каштан конский, клен остролистный, клен татарский, липа сердцевидная, рябина обыкновенная, сосна обыкновенная, виды рода спирея Вяз гладкий, ель колючая, каштан конский, клен остролистный, липа, можжевельник виргинский, орех грецкий, тополь белый, тополь черный, тополь канадский, черемуха обыкновенная, черемуха виргинская Критерием устойчивости служит размер площади некрозов в процентах от общей поверхности листа. Кроме того, могут использоваться такие показатели, как уменьшение всхожести семян, энергия роста и урожайность растений, некоторые физиолого-биохимические и анатомо-морфологические показатели (Полевой и др, 2001). Большое значение для устойчивости растений к газам имеют некоторые биологические особенности интенсивность процессов роста и развития растений, их экологическая пластичность, географическое происхождение, возраст растений, фотопериодизм (Николаевский, 1998). В зависимости от механизмов, определяющих газоустойчивость растений, выделяют биологическую, анатомо-морфологическую и фи- зиолого-биохимическую устойчивость. Биологические механизмы определяются межродовым и межвидовым разнообразием, что связано со способностью поврежденных растений к регенерации. Чем быстрее растение восстанавливает свои ткани и органы после отравления вредными примесями атмосферы, тем оно устойчивее. Лиственные породы (по сравнению с хвойными) более то- лерантны отчасти оттого, что обладают более ярко выраженной способностью к регенерации (Николаевский, 1979). Анатомо-морфологическая устойчивость связана с особенностями строения растений, так как на интенсивность поступления внутрь растения вредных веществ могут влиять такие особенности, как мощность кутикулы, воскового налета, режим работы устьичного аппарата, площадь поверхности растения и др. Наиболее стойкими ко всем видам загрязнений оказываются листья, обладающие прочным восковым налетом, который перекрывает устьичные клетки. Физиолого-биохимическая устойчивость определяется индивидуальными особенностями их метаболизма, скоростью протекания биохимических реакций, способностью утилизировать ядовитые вещества, связывать их белками цитоплазмы и т.д. (Артамонов, 1986). От загрязняющих веществ очень сильно страдают хвойные породы появляется суховершинность, уменьшается длина и увеличивается число хвоинок на побеге, происходит быстрая потеря хвои. У лиственных пород кислые газы вызывают уменьшение размеров и количества листьев, индуцируют появление черт ксероморфности. Нарушения роста и развития растений, возникающие при этом, могут снижать устойчивость и к другим неблагоприятным факторам среды засухе, засолению, понижению температуры. 91 |