Методические рекомендации по использованию флуктуирующей асимметрии, как одного из доступных способов оценки состояния окружающей среды. Мониторинговые исследования состояния окружающей среды и, в частности биоиндикационных исследований, позволяют определить уровень антропогенного воздействия на природную среду по состоянию обитающих в ней живых организмов – биоиндикаторов.
Степень отклонения среды от нормы определяется по состоянию населяющих ее живых организмов, которое, в свою очередь, определяется по нарушению стабильности развития наиболее массовых (фоновых) видов и оценивается по пятибалльной шкале:
Министерство образования, культуры и науки Республики Калмыкия
Управление Образования администрации Целинного Районного
Муниципального Образования
Муниципальное казенное образовательное учреждение «Верхнеяшкульская
Средняя образовательная школа им. А.Д. Емченова»
Методические рекомендации
Тема: Флуктуирующая асимметрия как способ оценки состояния окружающей среды.
Направление : Загрязнение и охрана окружающей среды(биоиндикация)
Выполнила:
ученица 8 класса
Иванова Татьяна
Руководитель:
Учитель биологии и химии
Скиданова Юлия Андреевна
Верхний Яшкуль 2015
Содержание
Вводная часть 3
Область применения методических рекомендаций 4
Теоретический материал 7
Понятие биоиндикации и биотестирования 7
Общие принципы использования биоиндикаторов 8
Особенности использования растений в качестве
биоиндикаторов 8
Особенности использования животных в качестве
биоиндикаторов 9
Понятие флуктуирующей асимметрии 11
Методика исследования 12
Общая характеристика материала 12
Статистическая обработка данных 13
Сбор материала для определения степени загрязнения
атмосферного воздуха по степени асимметрии
листовой пластинки 14
Сбор материала для характеристики водных экосистем
на примере земноводных как биоиндикаторов 16
Приложение 19
Вводная часть
Все возрастающее антропогенное воздействие на окружающую природную среду диктует необходимость контроля ее состояния, обеспечение ее благоприятности для живых существ и человека. Эта задача все чаще звучит как обеспечение здоровья среды. Пол здоровьем среды в самом общем смысле понимается ее состояние (качество), необходимое для обеспечения здоровья человека и других видов живых существ. Сегодня во многих стран мира на одном из первых мест стоит проблема глобального экологического кризиса, которая требует радикального и неотложного решения.
Одним из средств, преодоления глобального экологического кризиса и актуальной задачей всех цивилизованных стран, в том числе нашего государства, является интенсивность развития экологического образования.
Экологическое образование нацелено на формирование новой личности интеллектуальной, творческой, нравственной, обладающей экологическим мышлением, осознающей значение окружающей среды и готовой рациональному природопользованию. Чрезвычайно актуальной становится проблема использования в практике экологического образования мониторинговых исследований состояния окружающей среды и, в частности биоиндикационных исследований, позволяющих определить уровень антропогенного воздействия на природную среду по состоянию обитающих в ней живых организмов – биоиндикаторов.
Степень отклонения среды от нормы определяется по состоянию населяющих ее живых организмов, которое, в свою очередь, определяется по нарушению стабильности развития наиболее массовых (фоновых) видов и оценивается по пятибалльной шкале:
Стабильность развития в баллах | Качество среды |
1-ый балл | - Условно нормальное |
2-ой балл | - Начальные (незначительные) отклонения от нормы |
3-ий балл | - Средний уровень отклонений от нормы |
4-ый балл | - Существенные (значительные) отклонения от нормы |
5-ый балл | - Критическое состояние |
Стабильность развития как способность организма к нормальному развитию (без нарушений и ошибок) является чувствительным индикатором состояния природных популяций и позволяет оценивать суммарную величину антропогенной нагрузки. Наиболее простым и доступным для широкого использования способом оценки стабильности развития является определение величины флуктуирующей асимметрии билатеральных морфологических признаков. Она представляет собой отклонения от строгой билатеральной симметрии вследствие несовершенства онтогенетических процессов и проявляется в незначительных ненаправленных различиях между сторонами (в пределах нормы реакции организма). Получаемая интегральная оценка качества среды является ответом на вопрос - какова реакция живого организма на неблагоприятное воздействие, которое имело место в период его развития
Область применения методических рекомендаций.
В настоящее время имеется большой арсенал методов для выявления эффекта различных воздействий на состояние среды. При многообразии видов и способов мониторинга наиболее важным является оценка качества среды, проведение которой необходимо для :
Для оценки качества среды используются наиболее обычные фоновые виды растений и животных, характерные как для целинного района, так и для Республики Калмыкия в целом. При отсутствии в районе исследования видов, указанных в настоящих методических рекомендациях, возможно использование других видов, по согласованию с разработчиком настоящих методических рекомендаций.
Полный список видов растений и животных, приведенные в данных методических рекомендациях ,( приложение 1) разработаны для проведения оценки качества среды во всех географических зонах на территории России, за исключением зоны тундр, полупустынь, пустынь и высокогорья.
В данной работе приводится только один из методов – оценка стабильности развития по морфологическим признакам( метод флуктуирующей асимметрии), как наиболее простой и доступный для самого широкого использования . Это объясняется тем, что животные и растения являются непосредственными индикаторами качества окружающей среды, реагируя на ухудшение условий проявлением большей степени асимметричных признаков.
Настоящие методические рекомендации описывают метод выполнения оценки качества окружающей среды и его изменения при антропогенном воздействии и предназначен для специалистов в данной области, учителей биологии, педагогов дополнительного образования и учащихся.
Собранные в этом пособии методические рекомендации помогают продемонстрировать возможности оценки здоровья среды с помощью метода флуктуирующей асимметрии и подготовить методические рекомендации для изучения состояния окружающей среды прежде всего в Целинном районе, а также в других районах Республики Калмыкия. Нижеперечисленные методы исследования доказывают, что данная методика является перспективной для организации мониторинга, результаты которого предоставляют уникальную информацию для оценки благоприятности среды для живых существ и человека, проведения зонирования территории района , и, в конечном счете, принятия экологически правильных решений.
Теоретический материал.
Понятие биоиндикации и биотестирования.
Биологический контроль биологической среде включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование. В современной науке имеются возможности использования в биоиндикационных исследованиях живых организмов - индикаторных видов, которые в силу своих генетических, физиологических, анатомических и поведенческих особенностей способны существовать в узком интервале определённого фактора, указывая своим присутствием на наличие этого фактора в среде. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы. Благодаря специальным индексам и коэффициентам результаты биоиндикации оказываются достоверными и сопоставимыми.
Биоиндикация- обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственные системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденции изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.
Биотестирование- процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности не зависимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул).
Общие принципы использования биоиндикаторов.
Состояние биологической системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на неё природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки.
В качестве объектов для биоиндикации применяются разнообразные организмы – бактерии, водоросли, высшие растения, беспозвоночные животные, млекопитающие. Для гарантированного выявления присутствия в природных средах токсичного агента неизвестного химического состава, как правило, используется, набор объектов, представляющих различные группы сообщества. Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальной скоростью отклика и выраженностью параметров.
Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов.
Растения – крайне важный и интересный объект для характеристики состояния окружающей природной среды. Важность оценки состояния природных популяций растений состоит в том, что именно растения являются основными продуцентами, их роль в экосистемах трудно переоценить.
Растения – чувствительный объект, позволяющий оценивать весь комплекс воздействий, характерный для данной территории в целом, поскольку они ассимилируют вещества и подвержены прямому воздействию одновременно и двух сред: из почвы и из воздуха. В связи с тем, что растения ведут прикреплённый образ жизни, состояние их организма отражает состояние конкретного локального места обитания. Удобства использования растений состоит в доступности и простоте сборов материала для исследования. При выборе растений нужно учитывать четкость определения принадлежности растения к исследуемому виду, условия произрастанию особи и возрастное состояние растения.
Для оценки стабильности развития растения можно использовать любые признаки по различным морфологическим структурам, для которых возможно нормальное значение и соответственно учесть степень отклонения от него. Предпочтительным в силу простоты и однозначности интерпретации является учёт асимметрии исследуемых структур, которые в норме являются симметричными.
Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов.
Позвоночные животные также служат хорошими индикаторами состояния среды благодаря следующим особенностям:
Основное преимущество использования позвоночных животных в качестве биоиндикаторов заключается в их физиологической близости к человеку. Основные недостатки связанные с сложностью их обнаружения в природе, поимки, определение вида, а также с длительностью морфо-анатомических наблюдений. Кроме того, эксперименты с животными зачастую дороги, требуют многократной повторяемости для получения статистически достоверных выводов.
Оценка и прогнозирование состояния природной среды с привлечением позвоночных животных проводится на всех уровнях их организации. На организменном уровне с помощью сравнительного анализа оцениваются морфо-анатомические, поведенческие и физиолого-биохимические показатели.
Морфо-анатомические показатели описывают особенность внешнего и внутреннего строений животных и их изменения под воздействием определенных факторов (депигментация, изменение покровов, структуры тканей и расположения органов, возникновение уродств, опухолей и других патологических проявлений)
Поведенческие и физиолого-биохимические параметры особенно чувствительны к изменению внешней среды. Токсиканты, проникая в кости или кровь позвоночных животных, сразу же воздействуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Даже при узкоспецифическом влиянии токсиканта на определенную функцию ее сдвиги отражаются на состоянии всего организма вследствие взаимосвязанности процессов жизнедеятельности. Достаточно отчетливо присутствие токсикантов проявляется в нарушении ритма дыхания, сердечных сокращений, скорости пищеварения, ритмике выделения, продолжительности циклов размножения.
Для того чтобы иметь возможность сравнивать материал, собранный разными исследователями в разных районах, набор видов-индикаторов должен быть един и невелик. Вот некоторые критерии пригодности различных видов млекопитающих для биоиндикационных исследований:
простота и доступность методов добывания видов
Понятие флуктуирующей асимметрии.
Главным показателем изменений гомеостаза с морфологической точки зрения являются показатели флуктуирующий асимметрии – ненаправленных различий между правой и левой сторонами различных морфологических структур в норме обладающих биллатеральной асимметрией. Такие различия обычно являются результатом ошибок в ходе развития организма. При нормальных условиях их уровень минимален, возрастая при любом стрессирующем воздействии, что приводит к увеличению асимметрии. Необходимая информация при этом может быть получена путем анализа различных качественных и количественных признаков, включая меристические (счетные) и пластические (промеры) признаки.
При средовом или генетическом стрессе величина асимметрии различных, даже нескорректированных между собой признаков показывает согласованные изменения. Это означает, что информация, получаемая при анализе ограниченного набора признаков, позволяет охарактеризовать стабильность развития организма.
Показателем стабильности развития по отдельному морфологическому признаку является относительная величина флуктуирующей асимметрии, которая оценивается по различию числа структур слева и справа.
Методика исследования.
Общая характеристика материала.
Выбор объекта. Оценка состояния популяции проводится на примере лягушки озерной и березы провислой. Данные виды обладают удобной для анализа системой морфологических признаков. Для этих объектов имеются разработанные шкалы бальных оценок состояния организма по уровню стабильности развития.
Места сбора материала. В качестве мест сбора материала определяются модельные площадки, которые выбираются в зависимости от цели работы.
Выбор системы морфологических признаков. Для оценки стабильности развития необходимо получение данных по определенным морфологическим признакам. Принципиальных ограничений на используемые признаки нет. Основным требованием при выборе признаков является возможность однозначного их учета. Главным критерием выбора признака является возможность получения сходных результатов при повторном учете признаков. Для получения надежных результатов лучше использовать систему признаков.
Статистическая обработка данных.
При статистической обработке используются стандартные формулы, а также электронно-вычислительные таблицы Microsoft Excel/
Полученные результаты обрабатывались с помощью пятибалльной шкалы, на которой степень отклонения показателя стабильности развития от нормы характеризуется определенным баллом.
При выборе объектов среди растений учитываем, что для выявления микробиотопических различий предпочтителен выбор травянистых растений, в то время как для характеристики достаточно больших территорий лучше использовать древесные формы.
Сбор материала для определения степени загрязнения атмосферного воздуха по степени асимметрии листовой пластинки.
Сбор материала проводится после остановки роста листьев (начиная с июня)
Разбиваются 5 площадок. Площадки выбираются различных частях населенного пункта и за его пределами. Отбирается по пять проб с 5 площадок. . Экспериментальные площадки размещались в черте населенного пункта должны отличаться между собой степенью антропогенной нагрузки. В качестве объекта для исследования использовали берёзу. На каждой площадке отбирается с 5 близко растущих деревьев - по 10 листьев с каждого дерева, всего 50 листьев с одной площадки. Отбирались листья с растений, находящихся в примерно одинаковых условиях по уровню освещенности, влажности. Для анализа использовали только средневозрастные деревья, избегая, молодые и старые экземпляры.
Сбор листьев: листья отбираются случайным образом с веток, по возможности, без повреждений. Листья, берутся с нижней части кроны на уровне поднятой руки с максимального количества доступных веток, при этом необходимо задействовать ветки разных направлений, условно с севера, юга, востока и запада. Листья берутся примерно одного размера. Каждая выборка должна включать в себя минимум 50 листьев (по 10 листьев с 5 растений). Листья с одного растения лучше хранить отдельно, для того, чтобы в дальнейшем можно было проанализировать полученные результаты индивидуально для каждой особи. Все листья, собранные для одной выборки, сложить в полиэтиленовый пакет, туда же вложить этикетку. В этикетке указать номер выборки, место сбора (делая максимально подробную привязку к местности), дату сбора.
В качестве контроля можно выбрать территорию леса, если таковая имеется в пределах населенного пункта
Измерения: Для определения асимметрии листовой пластины снимают промеры слева и справа от главной жилки листа. Для измерения используют измерительный циркуль, линейку и транспортир. Промеры 1-4 снимаются циркулем –измерителем, признак 5 измеряется транспортиром.(Приложение 2)
Схема морфологических признаков, используемых для оценки стабильности развития березы повислой.
1 - ширину левой и правой половинок листа;
2 - длину жилки второго порядка, второй от основания листа;
3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка;
4 - расстояние между концами этих жилок; Данные показатели измеряли с помощью линейки и выражали в см;
5 - угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка. Показатель №5 измеряли с помощью транспортира и выражали в градусах. При вычислении асимметрии листовой пластины, находили модуль разности между промерами слева (L) и справа(R) делили на сумму этих же промеров: ׀L-R׀ / ׀L+R׀. Вычисляли показатель асимметрии для каждого листа. Для этого суммировали значения относительных величин асимметрии по каждому признаку и делили на число признаков.
«Пятибалльная шкала оценки отклонений состояния организма от условной нормы по величине интегрального показателя стабильности развития для берёзы повислой.»
Балл | Величина показателя стабильности развития |
I | <0,040 (условная норма) |
II | 0,040-0,044 |
III | 0,045-0,049 |
IV | 0,050-0,054 |
V | >0,054 (сильное, экстремальное загрязнение) |
Сбор материала для характеристики водных экосистем на примере земноводных как биоиндикаторов.
В качестве объекта мониторинга выбрана лягушка озерная. Земноводные являются удобным объектом при проведения биомониторинга т.к. амфибии обитают на границе двух сред -водной и наземной, состояние их организма в полной мере отражает состояние окружающей среды. Лягушка озерная имеет такие преимущества перед другими амфибиями, как обширный ареал обитания и массовость. Что позволяет проводить биомониторинг на большой территории, используя одни и те же признаки.
Материал собирается в период с июля по август. Объем выборки начинается от 20 особей и зависит от количества водоемов на исследуемой территории. Для точности статистического анализа рекомендуется не ограничиваться минимальным объемом(чем больше особей, тем лучше). Отловленных особей рекомендуется усыплять эфиром. Удобнее всего для анализа использовать свежепойманный материал. При необходимости его можно хранить в замороженном виде, в 4% формалине или 70% этаноле. Хранение в этаноле предпочтительнее, так как при длительном хранении в формалине, окраска лягушек темнеет, что в дальнейшем делает анализ окраски невозможным. Правильно фиксированный материал сохраняет окраску и признаки остеологии на протяжении десятков лет. .(Приложение 2)
Для сохранения фауны водоемов промеры можно снимать на месте, особь фотографировать. Отпущенные особи метятся(отрезают палец задней ноги). Для анализа берутся особи в возрасте от одного года и старше, т.к. большинство морфологических признаков формируется к этому возрасту и не подвержены дальнейшим возрастным изменениям.
Нарушение стабильности развития проявляется в строении самых разных структур, поэтому для ее оценки используются различные билатеральные признаки., которые легко учитывать. Наиболее удобными для анализа представляются признаки окраски. При работе с озерными лягушками используются такие признаки, как:
При проведении анализа с использованием данной схемы признаков учитывались следующие нюансы:
Пятибалльная шкала оценки стабильности развития для земноводных .
Балл | Величина показателя стабильности развития |
I | <0,50 |
II | 0,50-0,54 |
III | 0,55-0,59 |
IV | 0,60 - 0,64 |
V | >0,64 |
Приложение 1
Список биологических объектов, для которых разработаны шкалы бальных оценок состояния организма по уровню стабильности развития.
Растения
Береза повислая - Betula pendula Roth, и другие виды берез,
произрастающие на территории России.
Рыбы
Лещ - Abramis bramaLinne, 1758
Плотва - Rutilus rutilus Linne, 1758
Речной окунь - Perca fhrviatilis Linne, 1758
Щука - Esox luceus Linne, 1758
Карась золотой - Carassius carassius Linne, 1758
Серебряный карась - Carassius auratus Bloch,1783
Земноводные
Озерная лягушка - Rana ridibunda Pallas, 1771
Прудовая лягушка-Rana lessonae Camerano, 1882
Гибридная форма - Rana esculenta Linne, 1758
Травяная лягушка -Rana temporaria Linne, 1758
Млекопитающие
Рыжая полевка - Clethrionomys glareolus Schreber, 1780
Красная полевка - Clethrionomys rutilus Pallas, 1779
Домовая мышь - Mus musculus Linne, 1758
Полевая мышь - Apodemus agrarius Pallas, 1771
Серая полевка - Microtus arvalis Pallas, 1778
Средняя бурозубка - Sorex caecutiensLaxmann,1978
Тундряная бурозубка - Sorex tundrensis Merriam, 1902
Обыкновенная бурозубка - Sorex araneus Linne, 1758
Бурая бурозубка - Sorex roboratus Hollister, 1913
Равнозубая бурозубка - Sorex isodon Turov, 1924
Приложение 2
Устройства, материалы, реактивы
При выполнении оценки качества среды применяют следующие средства измерений и другие технические средства:
Средства исследований и вспомогательные инструменты
микроскоп бинокулярный 50-1350х ТУ 3-3-986, ТУ 3-3-777, ТУ 3-3.1911-89; лупа налобная ТУ 25-2015-0001-88; линейка на 10 см с ценой деления 1 мм ГОСТ 427-75; транспортир с ценой деления 1 град. ОСТ 6-19-417-80 циркуль-измеритель ТУ 25-7203014-91 баня электрическая ТУ 64-1-2850-80; пинцеты глазные ТУ 34-1-37-78; скальпели глазные ТУ 64-1-17-78; набор гистологический ТУ 64-1-504-74; ножницы ТУ 64-1-3 785-83; зубная щетка (бытовая) с жесткой щетиной; банки стеклянные для фиксации и хранения проб; чашка Петри ГОСТ 23932-90; холодильник (бытовой) для хранения проб.
Реактивы для фиксации
формалин 3% водный раствор ТУ 6-09-3011-73; спирт этиловый питьевой 95% ГОСТ 5963-67; спирт этиловый технический ГОСТ 17299-98; спирт этиловый ректификованный ГОСТ 18300-87; вода дистиллированная ГОСТ 6709-72.
Для заметок:
Для заметок:
«Яндекс» открыл доступ к нейросети "Балабоба" для всех пользователей
"Не жалею, не зову, не плачу…"
Горка
Госпожа Метелица
Есть ли лёд на других планетах?