Лишайники как тест-объект биоиндикации

Отрицательное воздействие человечества на природу очевидно. Приземные слои атмосферы промышленных городов загрязнены. Единичные определения уровня загрязнения атмосферного воздуха сложными инструментальными методами не дают истинной картины. Для этого требуются длительные наблюдения, что связано с большим количеством дорогостоящей аппаратуры и экономическими затратами. В связи с этим, в последнее время одной из центральных проблем анализа и оценки состояния окружающей среды считается подбор организмов-индикаторов.

Одним из таких организмов являются лишайники, которые используются в современной биоиндикации.

Биоиндикация – это явление, указывающее с помощью биологических объектов на характер или изменение свойств окружающей среды.

Вопросам биоиндикации с применением лишайников – лихеноиндикации, посвящено довольно большое число работ российских и зарубежных ученых. Однако проблема лихеноиндикации в целом изучена не в полном объёме. Кроме того, рассмотрению лишайников в школьной программе отводится мало времени. Поэтому нам было интересно познакомиться с этой группой организмов поближе.

Как известно, подавляющее число видов лишайников очень требовательны к состоянию атмосферного воздуха, и поэтому по уровню их видового разнообразия можно судить о состоянии окружающей среды.

Мы заинтересовались возможностью исследовать состав лихенофлоры Центрального округа г. Комсомольска-на-Амуре и применить лишайники в качестве биоиндикаторов при оценке загрязнения атмосферного воздуха.

Цель работы: оценить состояние атмосферного воздуха Центрального округа г. Комсомольска-на-Амуре с помощью метода лихеноиндикации

Объект исследования: лишайниковая флора Центрального округа г. Комсомольска-на-Амуре.

Предмет исследования: влияние загрязнения атмосферного воздуха на лишайниковые сообщества.

Задачи работы:

1. Сформировать представление о лишайниках как об индикаторах состояния атмосферного воздуха.

2. Овладеть методиками проведения лихеноиндикационных исследований.

3. Провести инвентаризацию лихенофлоры Центрального округа г. Комсомольска-на-Амуре.

4. В ходе трехлетнего мониторинга лишайниковых сообществ составить лихеноиндикационную картосхему, отражающую степень загрязнения воздушного бассейна города.

Новизна работы состоит в том, что впервые проведена оценка состояния атмосферного воздуха Центрального округа г. Комсомольска-на-Амуре методом лихеноиндикации в условиях летнего экологического практикума

Актуальность работы заключается в следующем: проведя мониторинговые исследования атмосферного воздуха привлечь внимание населения г. Комсомольска-на-Амуре к проблеме загрязнения его воздушного бассейна.

Понятие и сущность биоиндикации

В начале ХХ в. , в период, когда началось освоение окраин нашей страны, биоиндикационные исследования стали развиваться особенно интенсивно. Под биоиндикацией в эти годы в основном понимали регистрацию наличия или отсутствие того или иного явления (природного или антропогенного фактора среды), отмечая в терминах «есть» - «нет». К концу ХХ века биоиндикационные закономерности претерпели качественный скачёк.

По современным представлениям биоиндикаторы – организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Биоиндикация – метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов.

В зависимости от свойств используемого биоиндикатора, различают специфическую и неспецифическую биоиндикацию. О неспецифической биоиндикации говорят в том случае, когда различные антропогенные факторы вызывают одни и те же ответные реакции. Если те или иные происходящие изменения можно связать с одним фактором, то речь идёт о специфической биоиндикации.

В качестве биоиндикаторов используют животных, растения, бактерии и вирусы.

Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации. Ими могут быть как определённые типы природных объектов (почва, вода, воздух), так и различные свойства этих объектов, и определённые процессы, протекающие в окружающей среде (эрозия, дефляция, заболачивание и т. п. ), в том числе происходящие под влиянием человека.

Одним из перспективных биоиндикаторов являются лишайники. Они распространены по всему земному шару и могут служить объектом мониторинга на всех уровнях: локальном (в конкретной местности), региональном (в обширном регионе), и глобальном (на всём земном шаре).

Лишайники – широко распространенные организмы с достаточно высокой выносливостью к климатическим факторам и чувствительностью к загрязнениям окружающей среды.

Сейчас каждый школьник знает, что в основе биологии лишайников лежит явление симбиоза - сожительства двух различных организмов. Но еще более ста лет назад лишайники были для ученых великой загадкой, и открытие Симоном Швенденером в 1867 году их сущности оценивалось как одно из наиболее удивительных открытий того времени. Но о лишайниках было известно задолго до того, как их открыли. Еще Теофраст (371 - 286 г. до н. э. ) дал описание двух видов лишайников - Usnea и Rocctlla. Сейчас известно более 20000 видов лишайников. И каждый год ученые обнаруживают и описывают десятки и сотни новых видов.

2. 1. Внешнее строение лишайников

Вегетативное тело лишайника таллом, или слоевище. По внешнему виду различают три таллома лишайников: накипные, листоватые и кустистые. Накипные представляют собой корочку, столь прочно сросшуюся с основой (субстратом)- корой деревьев, камнями или поверхностью скал, - что ее невозможно отделить, не повредить.

Листоватые лишайники похожи на крупные чешуи или пластинки, которые прикрепляются к субстрату с помощью особых пучков грибных гиф и довольно легко от него отделяются.

У кустистых лишайников таллом состоит из "веточек", часто со многими отростками: как правило, это прямостоячие "кустики", как у многих растений из рода кладония (Cladonia),или свисающие вниз со стволов и ветвей деревьев "бороды" - как, например, у уснеи (Usnea barbata).

2. 2. Органы спороношения и размножения лишайников

На талломе лишайников из грибных гиф формируется плодовое тело гриба со спорами. Это расположенные на поверхности таллома апотеции или погруженные в таллом кувшиновидные перитеции. В апотециях и перитециях формируются споры для размножения гриба.

Апотеции имеют чаще блюдцевидную форму и могут быть окрашены в один цвет с талломом или в другой.

Более важным для размножения лишайников является сораль. Это такие образования, в которых одновременно присутствуют гифы гриба и клетки водоросли. Это соредии и изидии.

Они служат для размножения лишайника как целого организма. Соредии и изидии чаще встречаются у листоватых и кустистых лишайников.

Соредии представляют собой мельчайшие образования в виде пылинок, состоящие из одной или нескольких клеток водоросли, окруженных грифами гриба. Скопление соредий называют соралями. Наличие и отсутствие соредий и соралей, их расположение, форма и окраска постоянны для определённых видов лишайников и служат определённым признаком.

Изидии встречаются реже. Они представляют собой простые или коралловидные выросты, обычно густо покрывающие верхнюю сторону таллома.

Лишайники способны долгое время прибывать в сухом, почти обезвоженном состоянии, когда их влажность составляет от 2 до 10 % сухой массы. При этом они не погибают, а лишь приостанавливают все жизненные процессы до первого увлажнения. Погрузившись в такой «анабиоз», лишайники могут выдерживать сильное солнечное облучение, сильное нагревание и охлаждение.

В связи с тем, что лишайники поглощают воду всей поверхностью тела в основном из атмосферных осадков и от части из водяных паров, влажность слоевищ непостоянна и зависит от влажности окружающей среды. Таким образом, поступление воды в лишайники происходит, в отличие от высших растений, по физическим, а не по физиологическим законам. Недаром слоевище лишайников сравнивают с фильтровальной бумагой.

Минеральные вещества в виде водных растворов поступают в слоевище лишайника из почвы, горных пород, коры деревьев (хотя роль последней не доказана). Однако большее количество химических элементов лишайники получают из атмосферы с осадками и пылью. Поглощение элементов из дождевой воды идёт очень быстро и сопровождается их концентрированием. При повышении концентрации соединений металлов в воздухе резко возрастает их содержание в слоевищах лишайников, причем в накоплении металлов они далеко опережают сосудистые растения. В лесу, где осадки проходят сквозь кроны деревьев и стекают со стволов, лишайники гораздо богаче минеральными и органическими веществами, чем на открытых местах. Особенно много минеральных и органических веществ попадает в тело эпифитных лишайников, растущих на стволах деревьев. Эти растения используются для наблюдения за распространением в атмосфере более 30 элементов: лития, натрия, калия, магния, кальция, стронция, алюминия, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, никеля, меди, цинка, галлия, кадмия, свинца, ртути, иттрия, урана, фтора, йода, серы, мышьяка, селена и д. р.

По мере приближения к источнику загрязнения слоевища лишайников становятся толстыми, компактными и почти совсем утрачивают плодовые тела, обильно покрываются соредиями. Дальнейшее загрязнение атмосферы приводит к тому, что лопасти лишайников окрашиваются в беловатый, коричневатый или фиолетовый цвет, их талломы сморщиваются и организмы погибают. Изучение лишайниковой флоры в населённых пунктах и вблизи крупных промышленных объектов показывает, что состояние окружающей среды оказывает существенное влияние на развитие лишайников. По их видовому составу и встречаемости можно судить о степени загрязнения воздуха.

Глава 3

Материал и методика исследования

Данная работа - первая попытка оценить состояние воздуха г. Комсомольска-на-Амуре в условиях летнего экологического практикума. Исследование проводилось в Центральном округе города учениками 9-х и 11-х классов МОУ гимназии № 45 летом 2004-2006 года под руководством ПДО Есаевой Е. В.

Анализ литературных источников по проблеме исследования показал возможность использования лихенофлоры городской среды для оценки загрязнения его атмосферы. В качестве тест - объекта нами были выбраны лишайники, обитающие на древесных растениях, использованных в озеленении города.

В лихеноиндикационных исследованиях в качестве субстрата могут быть использованы различные деревья. Для оценки загрязнения городской атмосферы, как указывает Ашихмина Т. Я. (2000), выбирается вид дерева, который наиболее распространён на исследуемой территории.

Мы выбрали два вида древесных растений, преобладающих во флоре Центрального округа г. Комсомольска-на-Амуре. Это - тополь и ясень.

В качестве методики исследования, нами была принята методика определения степени загрязнения воздуха по лишайникам, которая включала:

1. Выбор района, в котором будут проводиться наблюдения.

2. Составление картосхемы района.

3. Нанесение на картосхему близлежащих ГЭЦ, заводов, других предприятий, дорог с интенсивным транспортным движением.

4. Разбивку выбранной территории на квадраты , размер которых зависит от площади изучаемой территории

(например, 10х10 метров. ).

5. Выбор в каждом квадрате 10 отдельно стоящих старых, но здоровых, растущих вертикально деревьев.

6. Подсчет количества видов лишайников.

7. Деление всех обнаруженных видов на 3 группы: кустистые, листоватые, накипные.

8. Проведение оценки степени покрытия древесного ствола лишайниками.

Для этого на высоте 30 - 150 см. на наиболее заросшую лишайниками часть коры накладывали рамку или сеточку, которая представляет собой жёсткий контур прямоугольной или квадратной формы с соотношением стороны 1/1 или 2/2, разделенные на квадраты размером 1х1 см. .

Этот метод является разновидностью метода, широко применяемого в геоботанике, и обладает такими преимуществами, как наглядность материалов и простота. Он общепринят в лихенологии. В простейшем варианте сеточка - это металлическая или деревянная рамка размером 10 на 10 см. , внутри которой через каждый сантиметр натянуты продольные и поперечные проволочки или леска так же может быть использован и пластик. Рамку накладывают на ствол и фиксируют (кнопками, булавками). Сначала считают число квадратов сеточки, в которых лишайники занимают на глаз больше половины площадки квадрата (а), условно приписывая им покрытие, равное 100%. Затем подсчитывают число квадратов, в которых лишайники занимают менее половины площадки квадрата (Ь), условно приписывая им покрытие, равное 50%. Общее проективное покрытие в процентах (Я) вычисляется по формуле: Н=(100а + 50Ь)/с, где с - общее число квадратов сеточки (например, при использовании сеточки 10x10 см с ячейками 1x1 см, с = 100).

9. Занесение полученных результатов в таблицы

Кроме выявления состава лихенофлоры и степени покрытия лишайниками деревьев по квадратам, производилась оценка встречаемости и покрытия по 5-балльной шкале . Таким образом, для каждой площадки описания и для каждого типа роста лишайников – кустистых, листоватых и накипных – выставляются баллы встречаемости и покрытия

Результаты исследования, занесённые в таблицы полевых дневников, затем подвергались обработке по методикам, описанным .

Чем выше показатель ОЧА (ближе к единице), тем чище воздух местообитания лишайников. Имеется прямая связь между ОЧА и средней концентрацией диоксида серы в атмосфере.

Полученные данные позволили составить лихеноиндикационную картосхему, отражающая степень загрязнения воздуха Центрального округа г. Комсомольска-на-Амуре и выделить на территории исследования следующие зоны: «лишайниковая пустыня», «зона угнетения» и «зона нормальной жизнедеятельности». (по методике Ашихминой Т. Я, 2000).

Результаты исследования и их обсуждение

В рамках проекта за период 2004 – 2006 гг, на территории Центрального округа г. Комсомольска – на – Амуре в скверах, парках и на улицах было обследовано около 3000 деревьев двух пород (тополь и ясень) согласно вышеописанным методикам .

По результатам исследования лета 2004 г была проведена первичная инвентаризация лихенофлоры. В 2005, 2006 гг проведены повторные исследования, включающие пополнение данных с учетом изменения состояния лихенофлоры и их анализ.

Нами обнаружены виды эпифитных лишайников принадлежащие к 4 родам: Ксантория, Пармелия, Пармелеопсис, Цетрария

Из них к группе накипных относятся встреченные нами виды Ксанторий, а к группе листоватых виды рода Пармелия, рода Пармелеопсис и рода Цетрария. Кустистые лишайники, на использованных в качестве субстрата деревьях (тополь, ясень) обнаружены не были.

В результате исследования видового состава лихенофлоры, оценки степени проективного покрытия лишайниками деревьев и расчета показателя относительной чистоты атмосферы нами были получены следующие данные:

Состав лихенофлоры г. Комсомольска – на – Амуре в 2004 г

Признаки Квадраты

кустистые листоватые накипные

1 Загрязнения нет + + +

2 Слабое загрязнение - + +

3 Среднее загрязнение - - +

4 Сильное загрязнение («лишайниковая пустыня») - - -