Лишайники- индикаторы чистоты воздуха

Районная учебно-исследовательская  конференция

старшеклассников «Юность Поморья»

                          Секция  экология

Лишайники – индикаторы чистоты воздуха

                                             Работу выполнила:

                                                                      Шаврина Ксения Александровна

                                                                                МОУ «Каменская общеобразовательная

                                                                           средняя школа Мезенского района»

                                                                                                                                           11 класс

                                                      Научный руководитель:

                                                                 Лихачева Наталья Степановна,

                                                                          учитель биологии МОУ «Каменская                                              

                                                                          общеобразовательная средняя школа

                                               Мезенского района»

г. Мезень

2008 года

Содержание

                                                                                                                               с.

Введение                                                                                                                            3

 1. Морфофизиологические особенности лишайников                                                  3                        

          1.1.        Общая характеристика класса лишайники                                             3

          1.2.      Строение лишайников                                                                               4

          1.3.      Размножение                                                                                               5

          1.4.      Значение лишайников в биосфере и народном хозяйстве                     6

 2. Лишайники и загрязненность   атмосферного  воздуха                                          6

 3. Экспериментальная часть                                                                                           8

          3.1.       Методика исследования                                                                            8

          3.2.      Загрязненность воздуха на территории, прилегающей к Каменской

                      средней  школе                                                                                           9                                      

          3.3.       Результаты исследования                                                                        10

Заключение                                                                                                                      11

Список литературы                                                                                                         12

Приложение                                                                                                                     13                

Введение

        Экологическая ситуация в наше время вызывает серьезную озабоченность общественности. Одна из задач современной экологии – это разработка систем естественных биологических индикаторов, позволяющих оперативно следить за состоянием экосистем и их динамикой.

       Первыми на загрязнение окружающей среды реагируют живые организмы, например, лишайники (биологические индикаторы). [2,С.7]                                          

     Организмы биоиндикаторы должны обладать следующими признаками

1. Высокой чувствительностью к действию определенного фактора;
2. Организм должен обладать простотой определения;
3. Специфичностью - многие биологические индикаторы реагируют на какой-либо фактор;
4. Способностью накапливать в своем теле токсичные вещества (комулятивность);

       Поэтому для проведения исследования были выбраны лишайники, которые обладают всеми выше перечисленными признаками.

      Лишайники - это симбиотические организмы, не имеющие защитных наружных покровов, обладающие низкой способностью к авторегуляции процессов жизнедеятельности.[9, С.10]

Раздел биоиндикации, который рассматривает лишайники в виде чувствительных организмов, называется лихеноиндикация.

       Объект исследования: атмосферный воздух.

       Предмет исследования: влияние загрязненного воздуха на развитие лишайников.

       Цель работы: определение загрязнения воздуха на территории, прилегающей к Каменской средней школе.

       Задачи:  1)На основании анализа литературных данных познакомиться с      

                        морфофизиологическими особенностями лишайников;

                 2)     Изучить наиболее часто встречающиеся виды лишайников;

                 3)    Используя метод лихеноиндикации, определить чистоту атмосферного              

                        воздуха;

                 4)    Получить экспериментальные данные и сделать выводы;

                      5)    Собрать коллекцию лишайников.

 Методы исследования: анализ литературных источников и метод линейных пересечений.

                           Глава 1. Морфофизиологические особенности лишайников

1.1. Общая характеристика класса лишайники

         Лишайники – это единые организмы, состоящие из гриба и водоросли,  связанных

симбиозом (симбиотическими отношениями).  [1,C.26]  Симбиоз - это взаимовыгодное сожительство двух организмов.  Лишайники    в равной мере можно отнести, как к царству грибов, так и к царству растений. Слоевище лишайников  состоит из двух компонентов – автотрофного (сине-зеленые, зеленые, желто-зеленые и бурые водоросли) и гетеротрофного (гриба).[6,С.140]   Не всякое сожительство гриба и водоросли образует лишайник. Лишайниковое сожительство должно быть постоянным и исторически выработавшимся, а не случайным, кратковременным.    В настоящем лишайнике гриб и водоросль вступают в тесные взаимоотношения, грибной компонент окружает водоросли и может даже проникнуть в их клетки.                                                

        По форме и величине  лишайники разнообразны, их размер варьирует от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Вегетативное тело лишайников представлено слоевищем, или талломом. В зависимости от образующегося пигмента оно может быть серым, сизым, зеленоватым, буро-коричневым, оранжевым или почти черным. Пигментация способствует защите от чрезмерного освещения или, наоборот, помогает поглощать больше света (черный пигмент лишайников Антарктиды).

1.2. Строение лишайников

         Известно более двадцати тысяч видов лишайников. В зависимости от строения слоевища выделяют накипные (корковые), листоватые и кустистые лишайники. Слоевище накипных (около 80%)  лишайников имеет вид корочки, плотно сросшейся с субстратом, толщиной от 1 до 5 мм. Они встречаются на коре деревьев и кустарников, на поверхности почвы, на камнях. Накипные лишайники, поселяющиеся на поверхности горных пород, постепенно разрушают их благодаря выделению кислот.[7,С.57]  Листоватые лишайники имеют округлую форму, часто с изрезанными краями или расчлененными на мелкие лопасти. Диаметр этих лишайников 10-20 см.  Листоватые лишайники – более организованные формы по сравнению с накипными, у них существует четкая дифференциация слоев.  Наиболее высоко организованы кустистые лишайники.  Их слоевище представляет собой прямостоячий или повисающий кустик. Они имеют разную высоту, некоторые достигают несколько миллиметров, а некоторые 30-50 см.

         По анатомическому строению лишайники делятся на гомео - и гетеромерные (рис. 1).

У гомеомерных лишайников слоевище представляет собой рыхлое сплетение гиф гриба, среди которых более или менее равномерно располагаются клетки или нити фикобионта. [3,С.26]  Гетеромерное строение характеризуется наличием в слоевище дифференцированных слоев, каждый из которых выполняет определенную функцию: верхняя и нижняя кора – защитную, фотосинтезирующий слой участвует в процессе фотосинтеза и накапливает продукты ассимиляции, а сердцевина - в прикреплении таллома к субстрату и обеспечении  аэрации фикобионта.  Такой морфологический тип лишайника представляет собой наиболее высокоорганизованную форму слоевища и характерен для большинства листоватых и кустистых лишайников.[5,С.103]

Рис.1 Формы слоевища лишайников:   а –  корковая        Рис 2. Вегетативное размножение  лишайников: (накипная); б -  листоватая;  в, г, д - кустистая;                             а- разрез таллома с соредиями, б- разрез                                                                                                                                                    

е- разрез гетеромерного слоевища;                                                 таллома с изидиями; 1- соредий, 2 – изидий

1- верхняя корка, 2 – слой  водорослей,

 3 – сердцевина, 4- нижняя кора,

 ж - соредии

            Лишайники широко распространены. Наряду с сине-зелеными водорослями они являются пионерами в освоении безжизненных и скудных местообитаний.  Разрушая и разрыхляя каменистый грунт, обогащая его органическими веществами, лишайники создают условия для поселения высших растений.

      Скорость роста лишайников невелика, 1-3 мм. в год. Медленный рост обуславливает и высокую продолжительность их жизни до 50-100 лет.[2,С.7]

1.3. Размножение

          Размножаются лишайники спорами, которые образует гриб, либо вегетативно - отламыванием кусочков слоевищ, затем прорастающих на новом месте.

         Размножаются лишайники с помощью особых образований, возникающих  под верхней корой слоевища и состоящих из клеток изидий и соредий водоросли, окруженных гифами гриба (рис.2).

        Соредии формируются под верхней корой в фотосинтезирующем слое и состоят из одной или нескольких клеток фикобионта, оплетенных гифами гриба. Под давлением разросшейся массы многочисленных соредий корковый слой таллома разрывается, и соредии выходят на поверхность, откуда разносятся ветром, водой и в благоприятных условиях прорастают в новые  талломы лишайников.[4.С.407]

     Изидии   представляют   собой   мелкие   выросты  слоевища   в  виде  палочек, бугорков,  покрытых снаружи корой. Состоят они из нескольких клеток фикобионта, оплетенных гифами грибов. Изидии отламываются и формируют новые слоевища.

       Половое размножение обеспечивают специальные участки слоевища, формирующие споры. Спора прорастает в гифу, и при встрече с подходящей водорослью формируется новый лишайник.[9,С.33]

1.4.Значение лишайников в биосфере и народном хозяйстве

          Лишайники играют важную роль в биоценозах. Разлагаясь после отмирания, лишайники создают необходимые условия для образования почвенного гумуса.

           Из лишайников получают лишайниковые кислоты (известно около 250), обладающие антибиотическими свойствами.

          Антибиотические свойства лишайников находят применение в парфюмерной промышленности - для получения ароматических веществ, в фармацевтической - для изготовления препаратов против туберкулеза, фурункулеза, кишечных   заболеваний, эпилепсии.[4,С.432]

         В хозяйственной деятельности человека важную роль играют, прежде всего, кормовые лишайники, такие как олений мох, или ягель, исландский мох и другие, которые поедаются не только северными оленями но и маралами, косулями, лосями.

    Лишайники очень чувствительны к загрязнению воздуха, особенно соединениями серы, и степень их развития может служить индикатором экологической обстановки в городах.[4,С.433]

Глава 2.   Лишайники и загрязненность  атмосферного  воздуха

            Лишайники по-разному реагируют на загрязненность воздуха: некоторые из них не выносят даже малейшего загрязнения и погибают; другие, наоборот, живут только в городах и прочих населенных пунктах, хорошо приспособившись к соответствующим антропогенным условиям. Изучив это свойство лишайников, можно использовать их для общей оценки степени загрязненности окружающей среды, особенно атмосферного воздуха. На этой основе стало развиваться особое направление индикационной экологии – лихеноиндикация. [6,С.141]

         Гуляя в лесу, внимательный человек непременно заметит лишайники, растущие на стволах деревьев. Они живые и нередко покрывают более половины поверхности ствола. Если пройти через какой-нибудь городской парк, то едва ли удастся обнаружить лишайники, разве только маленькие пятнышки хилых фрагментов слоевищ в трещинах  коры.

         Различие между лишайниковыми флорами естественных и культурных ландшафтов

были замечены уже лихенологами прошлого столетия. Не имея точных данных относительно экологических условий (климат, состав воздуха) городов, они могли только предполагать, что часть лишайников чувствительна к каким-то городским условиям, по всей вероятности  к составу воздуха. В дальнейшем было установлено, что различные виды лишайников обладают разной чувствительностью.

          Высокая чувствительность лишайников связана с содержанием в атмосферном воздухе оксида  серы (IV)-сернистого газа, именно к этому загрязнению чувствительны лишайники. Поступая в тело лишайника диоксид серы нарушает процессы обмена веществ и превращение энергии, тормозит рост лишайника.

         При повышении степени загрязненности воздуха первыми исчезают кустистые лишайники (бриория, уснея, алектория), за ними – листоватые (лабария легочная, ксантория постенная, фисция). Накипные лишайники наиболее устойчивы к атмосферному загрязнению (лекопора разнообразная, лецидея, биотора).[8,С.132]

         Таким образом, при анализе видового состава лишайников можно учитывать их видовую принадлежность (таксономический подход), анализ жизненных форм (биоморфологический подход) и анализ экологических групп (экологический подход).

     Долгое время не могли объяснить, какие именно факторы приводят к обеднению и даже исчезновению флоры лишайников в городах. В течение последних десятилетий было показано, что из компонентов загрязненного воздуха на лишайники самое отрицательное влияние  оказывает  двуоксид серы. Экспериментально установлено, что это вещество уже в концентрации 0,080-0,10 мг  на 1м. куб. воздуха начинает вредно действовать на многие лишайники: в хлоропластах водорослевых клеток появляются бурые пятна, начинается деградация хлорофилла, плодовые тела лишайников хиреют. Концентрация SO2, равная 0,5 мг/м.куб., губительна для всех видов лишайников, произрастающих в естественных ландшафтах.

      На лишайники пагубно влияет не только двуоксид серы, но и другие загрязнители – оксиды азота, оксиды углерода, соединения фтора и другие.[9,С.12]

    Человек, который хотя бы немного знает лишайники, прогуливаясь по улицам, может сказать, например, что на этой аллее воздух сильно загрязнен, количество двуоксида серы в воздухе превышает  0,3 мг/м.куб.(лишайниковая «пустыня»), в этом парке воздух загрязнен умеренно, количество SO2 колеблется между 0,05-0,2 мг./м.куб. (это можно установить по произрастанию на стволах некоторых выносливых по отношению к загрязнителям лишайников – ксантории, фисции, анаптихии, леканоры и др.),а на этом кладбище воздух довольно чистый – SO2, менее 0,05мг./м.куб. (на это указывают произрастающие на стволах виды естественной флоры – пармелии, алектории и др.)

       Дальнейшие исследования с долговременно газацией очень низкими концентрациями сернистого газа, а также полевые наблюдения показали, что гипогимния погибает при концентрациях, которые вызываю повреждение лишь у самых чувствительных высших растений.  Поэтому  гипогимнию вздутую можно считать хорошим индикатором для регистрации низких концентраций загрязнителей в атмосфере. Скорость отмирания листоватых лишайников может служить показателем потенциального влияния атмосферных загрязнителей на высшие растения.[8,С.142]

Глава 3. Экспериментальная часть

3.1. Методика исследования

         В основу методики  оценки относительной численности эпифитных лишайников был положен метод линейных пересечений.  Он заключается в наложении гибкой ленты с миллиметровыми делениями на поверхность ствола дерева с фиксированием всех пересечений её со слоевищами лишайников. В качестве ленты использовался «портняжный метр» с миллиметровыми делениями.

            Для исследования используют достаточно старые прямостоящие деревья. После выбора модельного дерева определяют на стволе точку, находящуюся на высоте 1,5 метра от основания ствола с северной стороны. Затем на ствол накладывают мерную ленту с делениями таким образом, чтобы ноль шкалы ленты совпадал с выбранной точкой, а возрастание чисел на шкале соответствовало движению по часовой стрелке (с севера на восток). После полного оборота ствола лента закрепляется на стволе булавкой в  нулевой точке. Совмещая последние деления и ноль ленты, определяют длину окружности ствола. Её при дальнейших измерениях принимают за 100%. При измерении фиксируют начало и конец каждого пересечения ленты с талломами лишайников. Измерения проводятся с точностью до 1 мм. [Приложение1, фото 1]

  По завершении измерений проводится расчёт  проективного покрытия лишайников на основе линейных пересечений, который определяет отношение «заросшей» лишайниками части ствола к общей поверхности. Зная общую длину окружности ствола и принимая её за 100%, рассчитывают проективное покрытие лишайников. Например, длина окружности ствола на 3-й площадке 85 см. (850мм). Пересечения ленты с талломами наблюдались на отметках: 3,1-3,2см.;  74,1-75см. Общая сумма «протяженности» лишайников составляет 1,0см (0,1+0,9).   По пропорции:   85см. – 100%     1,0см – Х %         находим величину  проективного покрытия: 1,0/ 85  · 100=1.2%.

       Проективное покрытие  определяется для всех видов лишайников в сумме. С каждого

 дерева лишайники собираются отдельно, и каждый образец упаковывается в отдельный конверт.  Видовая принадлежность лишайников определяется  в лабораторных     условиях

по определению.[8,С.47]

3.2. Загрязненность воздуха на территории, прилегающей к Каменской средней школе

Перед началом работы мы поставили перед собой цель: определить загрязнения воздуха

 на территории, прилегающей к Каменской средней школе.  Нами были выбраны наиболее пригодные для экспресс-оценки деревья.  Исследование проведено 7 ноября 2007 года на территории поселка Каменка в районе средней школы. Всего нами было исследовано 14 пробных участков (деревьев) с пятью  пробными  площадями: территория около школы, магазин «Меридиан», ТЭС, парк клуба, гараж. Результаты исследований приведены в таблицах.                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                         Таблица 1

Данные биологического эксперимента по определению величины проективного покрытия

Для определения класса  загрязнения пользуемся шкалой:  I- идеально чистый; II- чистый; III- относительно чистый; IV- загрязненный.        

        Исследование загрязнения воздуха на пробных площадях                             Таблица 2

3.3. Результаты исследования

Рис.3. Зависимость величины проективного покрытия от номера пробного участка

Выводы: 1)  Величина проективного покрытия (рис.3) в районе Каменской средней  

                     школы, на  учетных  площадях:  №1, 2, 3, 6, 7 -   колеблется от 6,1% до 130%;

                 2)  Чем выше % проективного  покрытия, тем воздух чище, так как

                     лишайников больше;

                 3) Рассмотрев средние значения проективных покрытий, мы пришли к выводу,  

                     что чище всего воздух в окрестности Каменской средней школы, т.к. именно в

                     этих точках самые высокие значения величины проективных покрытий.

                     Самый загрязненный воздух по этому показателю в районе ТЭС и  гаража.

                     Загрязнение воздуха происходит из-за высокой транспортной нагрузки на                

                     дорогах,  и    выбросов отходов производства ТЭС.

Рис. 4. Зависимость степени загрязнения от пробного участка

 Вывод: Рассмотрев зависимость загрязнения от пробного участка (рис.4),мы делаем вывод, что территория, прилегающая к Каменской средней школе - является экологически чистой, т.к. на всех пробных участках выявлен II  или  III класс загрязнения.

Заключение

  Лишайники по-разному реагируют на загрязненность воздуха: некоторые не выносят  ни малейшего загрязнения и погибают, другие – хорошо приспособились к соответствующим антропогенным условиям. Изучив это свойство лишайников, можно использовать их для общей оценки  степени загрязненности окружающей среды, особенно атмосферного воздуха. На этой основе стало развиваться особое направление индикационной экологии – лихеноиндикация.

       В ходе изучения литературных источников по проблеме лихеноиндикации  удалось

систематизировать признаки, которыми обладают биоиндикаторы.

       В первой главе работы, посвященной морфофизиологическим особенностям  лишайников, рассматривается общая характеристика, строение, размножение и значение их в природе и жизни человека.

      Во второй главе изучается влияние загрязненности атмосферного воздуха на развитие лишайников.  Выявлено, что чувствительность лишайников связана с содержанием в воздухе SО2, который,  поступая в  его тело,  нарушает процессы обмена  веществ и превращения энергии тормозит его рост.

        Третья часть работы является экспериментальной. Описана подготовка и методика проведения исследования.  Приведены данные биологического эксперимента по определению величины проективного покрытия. Всего нами было заложено пять площадей с четырнадцатью пробными участками (деревьями). Установлено, что на территории п. Каменка встречаются только эпифитные формы лишайников, которые позволяют нам сделать вывод о том, что воздух в поселке относительно чистый. Загрязнения воздуха наблюдаются в районах ТЭС и гаража, а территория, прилегающая к Каменской средней школе,  является чистой.  Загрязнение парами диоксида серы происходит из-за высокой транспортной нагрузки на дорогах  и выбросов отходов производства ТЭС.

      В ходе проведенных исследований мы выявили следующие закономерности:

   1) Чем сильнее загрязнен воздух, тем меньше на  деревьях встречается видов лишайников и тем меньшую площадь покрывают лишайники на стволах деревьев;

   2) Первыми при повышении загрязнения исчезают кустистые лишайники, затем листоватые и накипные;

Список    литературы

1.  Абрамов В.И. Бактерии, грибы, споровые растения // Первое сентября. Биология.-2004.- №9.- С.26-29

2.  Бязров Л.Г. Лишайники – один из видов жизненной стратегии грибов?// Первое сентября. Биология.- 2005.- №12.- С.6-7

3.  Бязров Л.Г. Что общего у лишайников  и морских ежей?// Первое сентября. Биология.- 2004.- №4.- С.26-27

4.  Жизнь растений. Т.III. Водоросли. Лишайники. Под ред. М.М. Голлербаха – М.: Просвещение, 1977.- 487с.

5.  Лемеза Н.А., Л.В.Камлюк Л.В., Лисов Н.Д.  Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы.-  М: Дрофа, 2003.- 276с.

6. Петров В.В. Мир лесных растений. – М.: Наука, 1978.-167с.

7.  Полевая практика по экологии растений: Учебное пособие/ А.Е. Баталов, Е.В. Шаврина, М.П. Бахматова,  Е.Ю. Чуракова. Под ред. А.Е. Баталова – М.:Изд-во МГУ, 2005.- 167с.

 8.  Пчёлкин А.В.,  Боголюбов А.С. Методы лихеноиндикации загрязнений окружающей среды. - М.: Экосистема, 1997. – 150с.

9.  Солдатенкова Ю.П. Малый практикум по ботанике. Лишайники. – М.: Изд-во Московского  университета, 1977. – 125с.