Учебнометодическое пособие по курсу Методы биоиндикации
 Скачать 2.02 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Методы биоиндикации /Учебно-методическое пособие по курсу «Методы биоиндикации» / Казань – 2011 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Методы биоиндикации /Учебно-методическое пособие по курсу «Методы биоиндикации» / Казань – 2011 УДК 57.017 Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» учебно-методической комиссии института экологии и географии Протокол № 8 от 6 июня 2011 г. заседания кафедры прикладной экологии Протокол № 13 от 5 мая 2011 г. Авторы-составители доктор биол. наук, проф. М.Н. Мукминов канд. вет. наук, с.н.с. Э.А. Шуралев Рецензент доктор биол. наук, доц. КФУ Н.Ю. Степанова Методы биоиндикации: учебно-методическое пособие / М.Н. Мукми- нов, Э.А. Шуралев. – Казань: Казанский университет, 2011. – 48с. Учебно-методическое пособие предназначено для организации и прове- дения лабораторных работ по курсу «Методы биоиндикации» для студентов, обучающихся по специальности экология и по направлению «Экология и природопользование». Пособие составлено с учетом современных требований к лабораторным работам высших учебных заведений. © Казанский университет, 2011 © Мукминов М.Н., Шуралев Э.А., 2011 - 3 - Содержание Введение 4 Лабораторная работа №1. Биоиндикация загрязнения атмосферного воз- духа с помощью лишайников 6 Лабораторная работа №2. Сосна в качестве тест-объекта в радио- и обще- экологических исследованиях 9 Лабораторная работа №3. Флуктуирующая асимметрия древесных и тра- вянистых форм растений как тест-система оценки качества среды 13 Лабораторная работа №4. Использование флуктуирующей асимметрии животных для оценки качества среды 17 Лабораторная работа №5. Определение общего микробного числа в водо- еме 20 Лабораторная работа №6. Биологический контроль водоема методами са- пробности 22 Лабораторная работа №7. Биологический анализ активного ила 27 Лабораторная работа №8. Оценка трофических свойств водоема с исполь- зованием высших растений 30 Лабораторная работа №9. Определение качества воды в пресноводном во- доеме по видовому разнообразию макрофитов 33 Лабораторная работа №10.Определение качества воды в пресноводном водоеме по видовому разнообразию зообентоса 36 Лабораторная работа №11. Характеристика качества почвы с помощью растений-индикаторов 40 Лабораторная работа №12. Лихеноиндикация рекреационной нагрузки на пригородные биоценозы 43 Список литературы 47 - 4 - ВВЕДЕНИЕ Данные учебно-методическое пособие, предназначенное для студентов ВУЗов, обучающихся по специальностям Экология и Природопользование, содержат описание 12 лабораторных работ по методам биоиндикации окру- жающей среды, которые приведены в форме, доступной для воспроизведения их студентами на практических занятиях. Лабораторные работы сопровожда- ются рисунками, справочным материалом и рабочими таблицами. В конце прилагается список литературы по методам биологического контроля окру- жающей среды, рекомендуемый при проведении лабораторных работ. Часто задают вопрос: «Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?». Существуют, по крайней мере, три случая, когда биоиндикация становится незаменимой. 1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попы- ток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам. 2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлага- ются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Напри- мер, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его рас- пыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослежива- ется в течение нескольких недель. 3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концен- трация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько си- туация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой кон- центрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Одна- ко, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевы- ми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее по- лучить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концен- трация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физи- ческие и химические методы дают качественные и количественные характе- - 5 - ристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особен- ностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды жела- тельно сочетать физико-химические методы с биологическими. Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоинди- кация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания. Применение в эпидемиологии и санитарии. Оценка угрозы инфекцион- ных заболеваний достигается при мониторинге загрязнения водоемов сточ- ными водами. Именно канализационные стоки могут содержать патогенные микроорганизмы – основной источник инфекций, передаваемых через воду. Поскольку патогенных микроорганизмов много, каждый выявлять трудоемко и нецелесообразно, разработан тест на кишечную палочку (Escherichia coli). Эта бактерия обитает в огромных количествах в толстой кишке человека и отсутствует во внешней среде. E.coli не патогенна и даже необходима челове- ку, но ее присутствие во внешней среде – индикатор неочищенных канализа- ционных стоков, в которой могут быть и патогенные микробы. Применение в экологии. Биоиндикация – оценка качества среды обита- ния и еѐ отдельных характеристик по состоянию биоты в природных услови- ях. Для учѐта изменения среды под действием антропогенного фактора со- ставляются списки индикаторных организмов – биоиндикаторов. Биоиндика- торы – виды, группы видов или сообщества, по наличию, степени развития, изменению морфологических, структурно-функциональных, генетических характеристик которых судят о качестве воды и состоянии экосистем. В каче- стве биоиндикаторов часто выступают лишайники, в водных объектах – со- общества бактерио-, фито-, зоопланктона, зообентоса, перефитона. Применение в геологических исследованиях. Ряд растений-индикаторов определѐнным видимым образом реагирует на повышенные или пониженные концентрации микро- и макроэлементов в почве. Это явление используется для предварительной оценки почв, определения возможных мест поиска по- лезных ископаемых. - 6 - Лабораторная работа №1 Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха с помощью лишайников Цель работы: Целью данного исследования является методом лихеноин- дикации оценить экологическое состояния атмосферной среды в определен- ном участке города. Задачи: 1. Оценить качество воздуха по проективному покрытию ствола дерева. 2. Научиться пользоваться каталогами-определителями лишайников. 3. Освоить классификацию качества воздуха по биотическому индексу. 4. Изучить классы полеотолерантности и типы местообитаний эпифитных лишайников. 5. Ознакомиться с индексом полеотолерантности вида и его применения в биоиндикации. Материалы и оборудование: атлас-определитель лишайников, лупа, стенды. Теоретические вопросы для обсуждения. 1. Лишайники – определение. Биология лишайников. 2. Деление лишайников по типу слоевища. 3. Устойчивость лишайников к загрязнителям. 4. Биотический индекс. 5. Классы полеотолерантности и типы местообитаний эпифитных лишай- ников. 6. Индекс полеотолерантности. Практическая работа. Задания. 1. Выбрать место обследования (парк, освещенный участок леса, двор в городе). 2. Выбрать площадку для исследования, включающую 10 деревьев одного вида примерно одного возраста и размера. 3. Изготовить прозрачную сетку из толстого полиэтилена в виде квадрата 20х20 см, разделенную на 10 частей с каждой стороны (100 квадра- тов). 4. Приложить прозрачную сетку плотно к стволу дерева на высоте 0,3 – 1,3 м. Подсчитать количество квадратов с лишайниками. 5. Подсчитать количество всех видов лишайников под прозрачной сеткой. - 7 - 6. Подсчитать количество лишайников доминирующего вида. 7. Заполнить таблицу 1. 8. С помощью таблицы 2 оценить качество воздуха, используя сред- ние значения (по 10 деревьям) числа видов лишайников, степени покрытия и общего количества лишайников на каждом исследуемом дереве. Таблица 1.1. Журнал оценки качества воздуха по проективному покрытию ствола дерева Порядковый номер дерева на схеме 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Степень покрытия лишайни- ками, % Количество видов лишайни- ков Количество лишайников до- минирующего вида Таблица 1.2. Шкала качества воздуха по проективному покрытию лишайниками стволов деревьев Степень покрытия Число видов Число лишайников до- минантного 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 Относительно чистый воздух 20 – 50% Более 5 Более 5 Более 2 Менее 5 3-я зона Умеренное загрязнение Менее 20% 3 – 5 Менее 5 2-я зона Сильное загрязнение 0 – 2 Менее 5 1-я зона Очень сильное загрязнение - 8 - Рис. 1.1. Некоторые виды лишайников, используемые в лихеноиндикации. 1 – пармелия; 2 – гипогимния; 3 – эвер- ния Рис. 1.2. Накипные лишайники 1 – аспицилия, 2 – калоплака, 3 – леци- дея, 4 – ксантория Рис. 1.3. Листоватые лишайники. 1 – лобария, 2 – пармелия, 3 – пелти- гера Рис. 1.4. Кустистые лишайники. 1 – цитрария, 2 – кладония, 3 – уснея Лабораторная работа №2 - 9 - Сосна в качестве тест-объекта в радио- и общеэкологических исследованиях Цель работы: Экспресс-оценка качества воздуха по состоянию хвои Pinus sylvestris. Задачи: 1. Ознакомиться с радиационными эффектами в растительном сообществе. 2. Освоить основные закономерности чувствительности хвойных пород к сернистому газу и применение их в биоиндикации. 3. Научиться определять продолжительность жизни хвои. 4. Освоить принцип метода, основанного на выявленной зависимости сте- пени повреждения хвои от загрязнения воздуха. Материалы и оборудование: лупа, стенды с хвоей разной степени по- врежденности. Теоретические вопросы для обсуждения. 1. Радиочувствительность хвойных древесных пород. 2. Критерии оценки радиационных эффектов. 3. Меристемная ткань, ее реакция на радиацию. 4. Чувствительность хвойных пород к сернистому газу. 5. Суть метода «помутнения по Гертелю». Практическая работа. Задания. 1. Выбрать сосенки высотой 1 – 1,5 м на открытой местности с 8 – 15 боковыми побегами. 2. Осмотреть у каждого дерева хвоинки предыдущего года (вторые сверху мутовки). 3. Выявить степень повреждения хвои. Степень повреждения хвои определяют по наличию хлоротичных пятен, некротических точек, некрозов и т.д. (рис. 2.1). 4. Определить продолжительность жизни хвои (рис. 2.2). 5. Результаты учетов занести в таблицу (см. табл. 2.2). 6. Провести экспресс-оценку загрязнении воздуха по классу повреж- дения хвои на побегах второго года жизни с помощью таблицы 2.1. 7. Привести в отчете выводы о качестве воздуха (привести расчеты и таблицы). - 10 - Рис. 2.1. Классы повреждения и усыхания хвои Повреждения: 1 – хвоинки без пятен; 2 – с небольшим числом мелких пятнышек; 3 – с большим числом черных и желтых пятен, некоторые из них крупные, вo всю ширину хвоинки; Усыхание: 1 – нет сухих участков; 2 – усох кончик на 2–5 мм; 3 – усохла треть хвоинки; 4 – вся хвоинка желтая или более половины ее длины сухая. Рис. 2.2. Продолжительность жизни хвои в годах - 11 - Таблица 2.1. Экспресс-оценка загрязнения воздуха (I – VI) с использованием сосны обыкновенной Максимальный возраст хвои Класс повреждения хвои на побегах второго года жизни 4 I I – II III 3 I II III – IV 2 II III IV 2 НС IV IV – V 1 НС IV V – VI 1 НС НС VI I – воздух идеально чистый; II – чистый; III – относительно чистый («норма»); IV – загрязненный («тревога»); V – грязный («опасно»); VI – очень грязный («вред- но»); НС – невозможные сочетания. Таблица 2.2. Изучение состояния хвои сосны Состояние хвои Количество хвоинок Доля хвоинок от общего количества обследованных, % Обследовано 100 Повреждение хвои: 1-й класс 2-й класс 3-й класс Усыхание хвои: 1-й класс 2-й класс 3-й класс 4-й класс - 12 - Рис. 2.3. Устойчивость организмов к действию радиации тем меньше, чем выше уровень их эволюционного развития Рис. 2.4. Распространение радиоактивных веществ в окружающей среде - 13 - Лабораторная работа №3 Флуктуирующая асимметрия древесных и травянистых форм расте- ний как тест-система оценки качества среды Цель работы: Интегральная экспресс-оценка качества среды обитания живых организмов по флуктуирующей асимметрии листовой пластины бере- зы повислой (Betula pendula). Задачи: 1. Освоить основные принципы применения метода флуктуирующей асим- метрии растений в биоиндикации. 2. Ознакомиться с основными биоиндикаторами метода. 3. Освоить принципы сбора и обработки материала для метода флуктуи- рующей асимметрии. 4. Изучить бальную систему качества среды обитания живых организмов по показателям флуктуирующей асимметрии высших растений. Материалы и оборудование: курвиметр (линейка); циркуль-измеритель; транспортир; гербарий листьев березы повислой. Теоретические вопросы для обсуждения. 1. Растения-биоиндикаторы для оценки качества водной среды. 2. Растения-биоиндикаторы для оценки качества воздушной среды. 3. Растения-биоиндикаторы для оценки состояния агроценозов. 4. Главные требования метода флуктуирующей асимметрии. 5. Основные принципы сбора материала для метода флуктуирующей асим- метрии. 6. Основные принципы обработки материала метода флуктуирующей асимметрии. 7. Параметры промеров листьев для детального расчета. 8. Бальная система качества среды обитания живых организмов по показа- телям флуктуирующей асимметрии высших растений. Практическая работа. Задания. 1. Используя рисунок 3.1 проведите следующие измерения. 2. Промеры 1 – 4 снимаются циркулем-измерителем, угол между жилками (признак 5) измеряется транспортиром. Для этого центр основания окошка транспортира совмещают с точкой ответвления второй жилки второго порядка от центральной жилки. Эта точка соответствует вершине угла. Кром- ку основания транспортира надо совместить с лучом, идущим из вершины уг- ла и проходящим через точку ответвления третьей жилки второго порядка. - 14 - Второй луч, образующий измеряемый угол, получают, используя линейку. Этот луч идет из вершины угла и проходит по касательной к внутренней сто- роне второй жилки второго порядка. Результаты исследований заносятся в таблицу 3.1. Рис. 3.1. Схема промеров, используемых для оценки стабильности развития березы повислой (Betula pendula) 1- ширина левой и правой половинок листа. Для измерения лист складывают пополам, со- вмещая верхушку с основанием листовой пла- стинки. Затем измеряется расстояние от границы центральной жилки до края листа. 2 – расстояние от основания до конца жилки второго порядка, второй от основания лис- та. 3 – расстояние между основаниями пер- вой и второй жилок второго порядка. 4 – расстояние между концами первой и второй жилок второго порядка. 5 – угол между глав- ной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка. 3. Для мерных признаков величина асимметрии у растений рассчи- тывается как различие в промерах слева и справа, отнесенное к сумме проме- ров на двух сторонах. Интегральным показателем стабильности развития для комплекса мерных признаков является средняя величина относительного раз- личия между сторонами на признак. Этот показатель рассчитывается как среднее арифметическое суммы относительной величины асимметрии по всем признакам у каждой особи, отнесенное к числу используемых призна- ков. В таблицах 3.1 и 3.2 приводится пример расчета средней относительной величины асимметрии на признак для 5 промеров листа у 10 растений. 4. Сначала вычисляется относительная величина асимметрии для ка- ждого признака. Для этого модуль разности между промерами слева (Л) и справа (П) делят на сумму этих же промеров: |Л-П| / |Л+П|, Например: Лист №1 (таблица 3.1), признак 1 |Л-П|/|Л+П| = |18-20|/|18+20| = 2/38 = 0,052 Полученные величины заносятся во вспомогательную таблицу 3.2. 5. Затем вычисляют показатель асимметрии для каждого листа. Для этого суммируют значения относительных величин асимметрии по всем при- - 15 - знакам и делят на число признаков. Например, для листа 1 (см. табл. 3.2): (0,052+0,015+0+0+0,042)/5 = 0,022 Результаты вычислений заносят во вспомогательную таблицу. Таблица 3.1. |