Биотестирование почвы города Кемерово по проросткам кресс-салата

Городское научное соревнование «Юниор-2015»

Направление «Естественные науки»

 (Охрана окружающей среды)

Биотестирование почвы города Кемерово по проросткам кресс-салата

Кемерово 2015 год          

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………...3

Глава 1.Влияние рельефа на климат города Кемерово........................................5

Глава 2.Экологическая обстановка города Кемерово..........................................6

Глава 3. Характеристика  метода  биотестирования............................................8

Глава 4. Практическая часть.................................................................................10

Выводы ………………………………………………………………………..…14

Заключение……………………………………………………………………….15

Список литературы ...……………………………………………………………16

Приложение ..…………………………………………………………………….17

Введение

                               В природе все одно с другим связано, и нет в ней ничего случайного.

         И если выйдет случайное явление – ищи в нем руку человека.

                                                                                                          Михаил Пришвин

        Эти слова,  сказанные    русским писателем,  не потеряли актуальность сегодня.  В  природе всё взаимосвязано и никаких случайностей в ней не может быть. Например, в  хорошей плодородной почве не может вырасти слабое и бледное растение. Это несвойственно природе, так как противоречит её законам. Поэтому в любых случайностях, нарушающих  естественные закономерности, мы видим деятельность человека, вмешивающегося в жизнь природы. Как  правило, это загрязнение окружающей среды продуктами промышленного производства, выхлопными газами от  автотранспорта,  которые в первую очередь меняют состав почвы и делают её непригодной для жизни растений.

        В исследовании мы решили выяснить, в каком же состоянии находятся почва в различных районах города Кемерово.  

          Цель данной работы - оценить состояние окружающей среды и  с помощью метода биотестирования по  проросткам растения-индикатора – кресс-салата.

        Объект  исследования – почва с разных районов города Кемерово.

Предмет исследования – однолетнее растение кресс-салат семейства Крестоцветные.

Методы исследования:

 1. Моделирование;

2. Наблюдение за прорастанием семян кресс-салата;

3. Исследование морфологических параметров;

4. Анализ полученных результатов.

        Актуальность  исследования. Изучение экологической ситуации в городе   и определение  мероприятий, направленных на снижение загрязнения окружающей среды, является одним из приоритетных направлений в политике государства.

 Для реализации данной цели, были выдвинуты следующие задачи:

1. Изучить различные информационные источники по данной теме;
2. Выбрать пробные площадки в разных районах города Кемерово;
3. Провести отбор проб почвы;
4. Определить с помощью биологического индикатора - кресс-салата экологическое состояние почв разных районов нашего города.

5) По результатам исследований сделать вывод об экологическом состоянии нашего города.

        Нами выдвинута гипотеза:  качество почвы влияет на прорастание и развитие проростков кресс-салата, что является показателем  экологического состояния окружающей среды.

Глава 1. Влияние рельефа на климат города Кемерово

        Город Кемерово  находится на юго-востоке Западной Сибири, в северной части Кузнецкой котловины по обоим берегам  реки Томи. Имеет открытый  выход  только на северо-запад.  Неоднородность рельефа города и его окрестностей значительно оказывает влияние  на микроклимат отдельных его частей.  Асимметрия берегов реки Томи и её притоков  (правый – высокий, левый – низкий и пологий) искажают ветровые потоки в приземном слое на территории всего города. В результате на уровне флюгера в Кемерово преобладают южные и юго-западные ветры (25 %), реже - ветры северные и восточные (менее 10 %). Наибольшее число ветров южных приходится на холодное полугодие (зимой – 33 %,осенью – 25 %). Максимум юго-западных ветров отмечен в конце осени (октябрь –34 %) и начале зимы (ноябрь, декабрь - 30 %). Средняя годовая скорость ветра в Кемерово на высоте флюгера (12м) составляет 4,4 м/с. Ее изменчивость из года в год небольшая, в среднем 0,4 м/с. В годовом ходе средней скорости ветра проявляются два максимума: первый – в ноябре (5,5 м/с), второй – в марте (5,2 м/с). Повышенная вероятность штилевой погоды характерна для июля и   августа при небольшой средней скорости ветра - 3,0-2,5 м/с. Зимой, при низких температурах и слабых ветрах, особенно в ночные и утренние часы, в долине реки и других пониженных местах города на 10-15 градусов холоднее, чем на возвышенностях.         

        Следовательно, котловинный характер рельефа – основная причина формирования местных особенностей климата и микроклимата в нашем городе. Значительная часть территории Кемерово благоприятна для застоя холодных масс воздуха и образования приземных инверсий с городскими туманами. Наиболее опасны для таких явлений пониженные участки большинства районов города. Это, вероятно, обеспечивает специфичность распределения атмосферных загрязнителей в городе и локальность формирования зон повышенных их концентраций. [3]

Глава 2. Экологическая обстановка города Кемерово

Изучение экологической ситуации в нашем городе показало, что  Кемерово расположен в зоне повышенного потенциала загрязнения атмосферы.   Несмотря на общее сокращение производства,    город продолжает оставаться крупным центром химической, энергетической, металлургической, угольной промышленности и строй-индустрии.

        В период своего промышленного формирования (строительство Коксохимического завода) город строился на первой и второй террасах Томи с относительной высотой 10-15 м.  В дальнейшем с разрастанием промплощадки (предприятия «Химпром», «Карболит», «Азот»),  жилищная часть стала оформляться на четвертой и пятой террасах (40-50 м выше уровня реки).

        Строительство жилья в Ленинском районе позволяло надеяться на улучшение ситуации, но пуск и развитие Ленинского промузла фактически закольцевал город воздушными отходами промышленных предприятий. Здесь сформировались искусственные очаги тепла, что вызывает термический подсос и сток приземного воздуха с окраины к центру, увеличивая загрязнения Центрального и Ленинского районов, особо опасное при ослабленном динамическом проветривании.

        По направлению ветровые потоки в приземном слое ориентируются по долине Томи, осуществляя почти поперечные (южные, юго-западные) глубокие затоки за городскую черту, накрывая переносимыми вредными примесями прибрежную зону отдыха на правом берегу Томи.  Пониженная прозрачность атмосферы  (пылевое загрязнение и туманообразование) вызывает общий дефицит ультрафиолетового излучения, приходящего от солнца, часть УФ-радиации расходуется на фотохимические процессы в атмосфере.

        Исследования уровня  загрязнения воздуха в  городе Кемерово  показало, что уровень загрязнения атмосферы высокий,  многие загрязнители атмосферы  оседают и накапливаются в почве.

        Средняя за год концентрация формальдегида превысила ПДК

( предельно допустимая концентрация)  в 3,2 раза.  Максимальная из среднемесячных концентрация – 1,3 ПДК отмечена в Заводском районе.  

        Средняя за год концентрация бенз(а)пирена превысила среднесуточную ПДК в 2,4 раза. Максимальная из среднемесячных концентрация – 5,2 ПДК наблюдалась в январе в Кировском районе.

        Средняя по городу концентрация диоксида азота составила 1,3 ПДК. Наиболее загрязнен этой примесью Заводский район, где среднегодовая концентрация превысила ПДК в 1,8 раза. Максимальная из разовых концентрация – 4,2 ПДК и наибольшая повторяемость проб выше ПДК – 3,2 % зарегистрированы в Заводском районе.

        Средняя за год концентрация сажи по сравнению с прошлым годом снизилась до 0,7 ПДК. Максимальная из разовых концентрация – 3,5 ПДК зарегистрирована в Кировском районе,  наибольшая повторяемость проб выше ПДК – 7,1 % отмечалась в Заводском районе.

        За период 2009-2014 гг. отмечается снижение среднегодовых концентраций диоксида азота и сажи на 28 % и 36 % соответственно. Среднегодовые концентрации формальдегида и бенз(а)пирена изменялись неравномерно. По сравнению с 2009 годом концентрация формальдегида увеличилась практически в 3 раза; бенз(а)пирена – уменьшилась в 1,2 раза. Атмосферные осадки имели в 32 % случаев слабощелочную, в 62 % случаев – нейтральную, в 5 % случаев – равновесную, в 1 % случаев – слабокислую реакции. Снежный покров был насыщен сульфатами (10,74 мг/л) и гидрокарбонатами (7,08 мг/л). В катионной группе преобладающими были ионы кальция – 2,67 мг/л. Величина рН составила 5,6 ед. [7]

Глава 3. Характеристика  метода  биотестирования

        Влияние  природных условий на жизнь и  развитие живых организмов отметили ученые Древней Греции и Древнего Рима,  которые использовали их в качестве показателей состояния окружающей среды. М.В. Ломоносов и А.Н. Радищев в своих научных трудах  писали о растениях - указателях особенностей почв, горных пород.

         В настоящее время для исследования применяют различные новейшие  технологии, которые дают точную оценку состояния окружающей среды.

         Мы  использовали в  своем исследовании, метод  - биотестирование.  Он основан   на ответной реакции живых организмов на негативное воздействие загрязняющих веществ, способных давать достоверную информацию о качестве компонентов окружающей среды, в том числе почв.  Этот метод  оценки имеет следующие характеристики:

• быстрота проведения;

• доступность и простота проведения эксперимента;

• воспроизводимость и достоверность полученных результатов;

• экономичность, как в материальном отношении, так и по трудозатратам;

• объективность полученных данных.

        Таким образом, биотестирование – это определение токсичности пробы (воды, почвы, донных осадков и т.д.) для данной культуры организмов в лабораторном эксперименте. В основе лежит метод научного познания, как биологическое моделирование. Любая модель является в определенной мере специфической формой отражения действительности.  При биотестировании происходит перенос знаний с простой системы (смоделированной экосистемы в лабораторном опыте) на более сложную (экосистему в реальных условиях). При таком подходе важным является выбор тест - культуры и параметров изменения ее жизнедеятельности. [1]

        Для определения качества загрязнения почвы  мы выбрали растение кресс - салат,   или клоповник посевной  (lepidium  sativum).

        Это  быстрорастущее съедобное однолетнее или двулетнее травянистое растение семейства Капустные, или Крестоцветные. Родина этого растения – Иран. В диком виде  встречается в Египте, Эфиопии, а также в странах Азии, от Средиземного моря, до Пакистана.

         Особенностью кресса-салата–является повышенная чувствительность к загрязнению почвы тяжелыми металлами, а также к загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта.  [5]

        Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей. Кроме того, побеги и корни этого растения под действием загрязнителей подвергаются  заметным морфологическим  изменениям.     Задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней, а также числа и массы семян. [4]

Глава 4.  Практическая часть

        1.  Для определения   уровня загрязненности  мы взяли образцы почв в ноябре 2014 года с 5 участков

 г. Кемерово:

        №1. Кировский район – на правом берегу Томи,  северо-западной части города                            

        №2. Заводский район - на левом берегу Томи, в юго-западной части города.                                     Рис.1 Карта Кемерово

№3. Лесная Поляна - на правом берегу Томи, северо-восточной части города.                                

№4. Ленинский район - на левом берегу Томи, юго-восточной части города.

№5. Рудничный район - на правом берегу Томи, в северо-восточной части города.                          

        2. Заполнили чашки Петри исследуемой почвой и увлажнили

одним и тем же количеством отстоянной водопроводной водой  до появления признаков насыщения.

        3. В каждую чашку на поверхность уложили 30  семян кресс-салата.

        4. Увлажнили верхние слои субстратов до влажности нижних слоев.

        5. В течение  10 дней наблюдали за произрастанием семян, поддерживая влажность почвы на одном и том же уровне.  Полив  проводили отстоянной водопроводной водой.

        6.  В ходе исследования рассчитывали  процент  всхожести семян, среднюю длину побегов и средний прирост за сутки. Длину побегов измеряли с четвертого  дня всхожести семян, а и ежедневный прирост начали  измерять на  шестые сутки    с момента  произрастания семян. Данные наблюдений заносили в таблицу.

        7.  В зависимости от результатов опыта субстратам присваивали один из четырёх уровней загрязненности:

1. Загрязнение отсутствует - всхожесть семян достигает 90-100%, всходы дружные,   проростки крепкие.

2. Слабое загрязнение - всхожесть 60-90% , проростки  нормальной длины, крепкие, ровные.

3. Среднее загрязнение - всхожесть 20-60%, проростки короткие, тонкие, некоторые проростки имеют морфологические изменения.

4.  Сильное загрязнение - всхожесть семян слабая (менее 20 %.) проростки мелкие имеют сильные морфологические изменения. [2]

                     Рис.2  Всхожесть семян кресс-салата

        Из  данных рис.2 следует, что наиболее высокая всхожесть семян кресс-салата отмечена с почвы,  взятой в районе ЖК Лесной Поляны (78%), Рудничного района (70%). Всходы дружные, крепкие, ровные.

        Наименьшая всхожесть зафиксирована у растений с почв Заводского района (47%),  Кировского района (48%), Ленинского района (53%). Проростки  с почв данных участков короткие, тонкие, некоторые имеют искривления побегов.

         Скорость прорастания семян была различная:  на второй день исследования  взошли семена с трёх участков города:  Лесная  Поляна-43%,   Ленинский район -37%, Рудничный -17%.   Семена с почвы Кировского района взошли на третий день - 37 %.

        Наиболее низкая скорость прорастания семян отмечена с почвы,  взятой с Заводского района – четвертый день -3%.

        Согласно методике,   были определены уровни загрязнения почв: слабое загрязнение почвы отмечено в  ЖК Лесной Поляны,   Рудничном районе. Среднее загрязнение  в Заводском, Кировском, Ленинском районе.

                                                                                                                                      Таблица 1

Длина проростков кресс-салата

        Из данных    таблицы 1  видно, что наиболее  высокие растения  выросли на почве ЖК Лесная Поляна (6, 5 см) и Ленинского района (6.3см).  Наименьшая длина у  кресс -салата выращенного на почве Заводского района  (3.2см)                                                                                  

                                                                                                                            Таблица  2  

Ежедневный прирост кресс-салата

        Анализ таблицы 2 показал,  что наиболее высокий прирост отмечен у растений  почвы ЖК Лесная Поляна и  Ленинского района (1.4-1.1 см в день).  Низкий прирост у растений с почвы Рудничного района.

Выводы

          На основании полученных данных определился  уровень загрязнения почвы разных районов города Кемерово.

        1. Слабое загрязнение почвы отмечено в  ЖК Лесной Поляны,   Рудничном районе.   Это объясняется  удаленностью от промышленных предприятий города-спутника Лесная Поляна и наличием большего количество зеленых насаждений (Рудничный район).

        2. Среднее загрязнение отмечено  в Заводском, Кировском, Ленинском районе.  На состояние почвы этих районов оказывают влияние промышленные  предприятия, находящиеся рядом. Преобладающее направление  ветра, особенности рельефа этих районов способствуют тому, что загрязненный воздух накапливается и оседает в почве,  ухудшая её состояние.

.  

Заключение

        Город  Кемерово, в котором мы живём, является одним из крупнейших промышленных центров России. В городе работает много промышленных предприятий. Кроме того, с каждым днём растёт количество автотранспорта. Большое влияние на экологическое состояние нашего города оказывает неоднородность рельефа, как следствие формирование микроклимата различных его участков. Всё это приводит к ухудшению состояния окружающей  среды.

        В своей работе мы определили наиболее загрязненные районы нашего города с помощью растения – биоиндикатора кресс-салата.  Метод,  использованный в нашей работе, является быстрым, доступным, не требующей специального оборудования.

        Полученные данные можно использовать для оценки  уровня загрязнения  нашего города. Собирая такие данные ежегодно, можно проследить в динамике  изменения состояния окружающей среды.

Список литературы

1. Маячкина Н.В., Чугунова М.В. Особенности биотестирования почвы с целью экотоксилогической оценки [Текст]/ Н.В. Маячкина, М.В. Чугунова// Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, Биология. 2009. - №1. С. 84-93.

2. Скалон,  Н.В. ,Горшкова, Л.А., Демиденко Н.В. Экология города Кемерово [Текст]: учебное пособие / Н.В. Скалон, Л.А. Горшкова, Н.В. Демиденко.- Кемерово: МОУ ДПО» Научно-методический центр. 2005.-124 с.

3. Соловьёв, Л.И. География Кемеровской области. Природа [Текст]: учебное пособие / Л. И. Соловьёв. - Кемерово: ОАО  ИПП «Кузбасс»; ООО «СКИФ», 2006. - 384 с.

4. Федоров, А. Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды [Текст]: учебное пособие для студ. высш. уч. заведений./ А.Н. Федоров, А.Н. Никольская. - Гуманит. изд. центр Владос. 2001.- 288 с.

5. www. wikipedia.r u

6. www. google. ru
7. www. ecokem.ru

Приложение

 Рис.1 Подготовка почвы                      Рис.2 Семена кресс-салата

                                            Рис.3 Прорастание семян        

 Рис.4 Измерение проростков семян