Зеленые контролеры

 

Ранее в ходе исследовательской работы ««Новые кадры» на предприятиях», я производил экспериментальное биотестирование животных — индикаторов окружающей среды.

В работе опирался на знания, приобретенные в рамках экологического проекта «Малая академия наук», в ходе которого через встречи с кандидатами биологических наук, я понял какую роль играют в нашей жизни животные и растения, которые могут своим поведением, внешним видом, химическим составом и количеством показать изменения в окружающей среды.

По результатам предыдущего исследования я сделал вывод, что животные — тестеры загрязнений могут «работать» в домашних условиях. А какие существуют «зеленые контролеры» загрязнений, и могут ли они быть «домашними помощниками», я решил узнать в новом своём исследовании.

Цель: выяснить, какие растения являются индикаторами токсичности окружающей среды и как на них влияют изменения внешних условий.

Гипотеза: можно ли «зеленых контролеров» со станций фонового мониторинга «переманить» в свою домашнюю «лабораторию биомониторинга», чтобы наблюдать за загрязнением среды вокруг себя.

Задачи:

1)        изучить литературу о разработках систем биомоноторинга, существующих методах экологического контроля;

2)        выяснить, как изменяются особенности развития и «поведения» у растений на загрязняющие факторы;

3)        узнать, как с помощью растений — индикаторов можно выявит токсичность среды;

4)        провести экспериментальное биотестирование атмосферного воздуха на токсины;

5)        сделать выводы по результатам исследования.

Методы исследования:

1. анализ научной литературы;
2. изучение средств массовой информации;
3. консультации;
4. моделирование условий;
5. наблюдение и фиксация отдельных физиологических проявлений у растений.

Часть 1

Естественная окружающая среда, в разнообразии своих проявлений, имеет огромное непосредственное влияние на человека, но и человек влияет на окружающую среду, главным образом, загрязняя ее.

Сегодня во многих странах введены специальные меры для обеспечения охраны окружающей среды; разработаны методики физико-химического анализа выбросов вредных газов и веществ в атмосферу и гидросферу с целью их сокращения.

Но еще в глубокой древности люди стали замечать тесную связь растений с окружающей их природной средой. Но в те времена даже биология не являлась отдельной наукой, а только одной из составляющих философии. [13]

В современном мире все больше внимания уделяют возможностям биомониторинга. Ему отводится важная роль в индикационной геоботанике, экологии, физиологии и биохимии растений, биогеографии, геологии, геохимии, гидрогеологии и других науках. Изучать окружающую среду с помощью растений сегодня стараются во всем мире. [1]

В настоящее время разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды (Ю. А. Израэль[1], 1979г.), составной частью которого является биологический мониторинг, осуществляемый на станциях фонового мониторинга.

Растениями-индикаторами пользуются при оценке механического и химического состава почвы, воздуха, воды, в поисках пресных вод в пустыне и при разведке полезных ископаемых. Растения реагируют на изменения внешней окружающей среды, являясь «зелеными тестерами» загрязнений.

Меня заинтересовали эти «зеленые контролеры», которые «работают» на станциях фонового мониторинга.

Поэтому, я решил выяснить, какие растения являются индикаторами токсичности окружающей среды и как влияют изменения внешних условий на них.

Из литературы я узнал, что главными источниками загрязнений окружающей среды в России являются большие промышленные предприятия, тепловые и атомные электростанции, автомобильный транспорт. [2]

Для получения более подробной информации по теме, я обратился к инженеру-экологу Ивановой Наталье Николаевне сотруднику АО «Восточный Порт».

Так из беседы, я узнал, что в настоящее время существует концепция комплексного экологического мониторинга природной среды (Ю. А. Израэль, 1979г.), составной частью которого является биологический мониторинг, осуществляемый на станциях фонового мониторинга.

Так же, я выяснил, что в настоящее время при оценке состояния окружающей среды ведущая роль отводится физическим и химическим методам экологического контроля. Однако существующие системы нормативов не обеспечивают экологическую безопасность, т. к. не имеют возможности оценки токсичности. Вот для этого и стали разрабатывать биологический метод контроля: растения столь же чувствительны, как животные и мы с вами. Они способны воспринимать окружающий мир. [8]

Организм человека за последние десятилетия адаптировался к окружающей атмосфере. Люди не замечают, чем они дышат. А вот растения всегда начеку и могут вовремя подсказать, что в воздухе появились ядовитые для организма вещества.

Изучая научную литературу, я узнал, что не каждое растение может быть индикатором. Лучшими индикаторами являются так называемые стенобионты — виды, приспособленные к существованию в строго определенных условиях и не выносящие больших колебаний окружающей среды. Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, почвы, воды, так и для оценки общего качественного состояния природной среды. [1]

Я выяснил, что индикаторами чистоты воздуха в первую очередь являются мхи и лишайники. Главный враг лишайников в городах — сернистый газ. Лишайники нетребовательны к факторам внешней среды, они являются пионерами, поселяющимися на голых скалах. Однако для своего существования эти растения нуждаются в очень чистом воздухе. Малейшее загрязнение атмосферы, не влияющее на большинство высших растений, вызывает массовую гибель лишайников. [1]

Хвойные породы особенно сильно страдают от сернистого газа. Чувствительность к нему у хвойных пород убывает в такой последовательности: ель, пихта, сосна веймутова, сосна обыкновенная, лиственница. Продолжительность жизни хвои сосны в зонах сильного загрязнения сернистым газом составляет один год, тогда как в норме — 3–4 года, при этом хвоя меняет зелёную окраску на тёмно-красную. [7]

Также я узнал, что гладиолус и фрезия не переносят фтора в атмосфере. Для индикации загрязненности атмосферы тяжелыми металлами и ароматическими углеводородами используются бальзамин и фасоль. Подсолнечник не выносит выброса аммиака в атмосферу. Шпинат и горох не будут расти при выбросах сероводорода. Чрезвычайно чувствительно к выхлопным газам автомобилей комнатное растение традесканция. [7]

Изучая, средства массовой информации, я узнал о том, как Европе комнатное растение — гардения спасла жизнь своей хозяйке. Растение очень чувствительно к угарному газу.

Отравление угарным газом — острое патологическое состояние, развивающееся в результате попадания угарного газа в организм человека, является опасным для жизни и здоровья, и без квалифицированной медицинской помощи может привести к летальному исходу. [12]

Угарный газ попадает в атмосферный воздух при любых видах горения. В городах в основном в составе выхлопных газов из двигателей внутреннего сгорания; в домашних условиях при утечке светильного газа и при несвоевременно закрытых печных заслонках в помещениях с печным отоплением (дома, бани), при не исправных газонагревательных приборах.

Угарный газ активно связывается с гемоглобином и блокирует передачу кислорода тканевым клеткам, что приводит к гипоксии. Угарный газ также включается в окислительные реакции, нарушая биохимическое равновесие в тканях.

Под воздействием токсичных веществ в атмосфере у некоторых видов растений изменяются особенности развития (скорость роста, процесс размножения и др.), у других «зеленых индикаторов» изменяется внешний вид (уродуется крона, видоизменяются лепестки, меняют цвет тычинки или листья), третьи — способны накапливать загрязняющее вещество в своих тканях. [1]

Растения постоянно присутствуют в окружающей человека среде и реагируют на кратковременные и залповые выбросы загрязняющих веществ, которые может не зарегистрировать автоматизированная система контроля с периодическим отбором проб на анализы.

Изучив литературу и получив информацию от специалистов предприятий, выяснил:

1.      Ведущая роль для оценки состояния окружающей среды отводится физико — химическими методам, а также биомониторингу.
2.      «Зелеными-индикаторами» пользуются в поисках пресных вод в пустыне и при разведке полезных ископаемых, при оценке механического и химического состава почвы, воздуха, воды.
3.      Биоиндикаторы отражают степень опасности соответствующего состояния окружающей среды для всех живых организмов, а значит и для человека.
4.      Биологический мониторинг обходится намного дешевле химического.
5.      Живые тестеры загрязнений сейчас изучаются во многих институтах России. Выявляются все новые «способности» растений. Уже известны растения, реагирующие на диоксин, наркотики, взрывчатку и другие вещества, выявление которых актуально в наше время. Такие растения-индикаторы опасности могут значительно упростить в некоторых случаях контроль за наличием тех или иных химических веществ в воздухе. Селекционным путем эти «способности» стараются усилить и поставить растения на службу человеку.

Часть 2

Для того, чтобы доказать, что «зеленые контролеры» могут «работать» в домашних условиях, я решил произвести экспериментальное биотестирование путем регистрации изменения внешнего вида растения (окраса листьев), при воздействии на тест-объект (растение — индикатор) посредством имитации возможных путей поступления вредного вещества в ткани (с воздухом), и сравнения данных с индикацией контрольного прибора.

Тестируемой средой являлся воздух в помещении дома с печным отоплением, тест-объектами стали комнатные растения: гардения жасминолистная (Gardenia jasminoides), сансевиера трёхполосная (Sansevieria trifasciata), орхидея фаленопсис (Phalaenopsis) (Рисунок 1).

Рис. 1. Тест-объекты

 

Контрольный прибор — бытовой универсальный детектор загрязнителей воздуха «Спасатель» (ООО «НПП «БИОС», г. Смоленск) предназначенный для обнаружения природного топливного газа (метана), пропана, бутана и угарного газа (монооксида углерода) в воздухе бытовых и коммунальных помещений с последующей выдачей световой и звуковой сигнализации. [15] (Рисунок 2)

Рис. 2. Контрольный прибор — бытовой универсальный детектор загрязнителей воздуха «Спасатель»

 

До начала активной фазы эксперимента, чтобы исключить другие негативные факторы, все комнатные растения занесли в исследуемое помещение, создали благоприятные условия, где они произрастали 1 месяц.

Подготовка к эксперименту:

1.      Установлен, согласно инструкции, детектор загрязнителей воздуха: 1,5 метра над уровнем пола, приведен в рабочий режим. Заводская настройка чувствительности датчика «Спасателя» позволяет обнаружить опасные примеси (СО 220 мг/м³) в воздухе помещения до достижения концентрации опасных для здоровья и жизни людей (СО ≥600 мг/м³).
2.      Растения установлены на уровне детектора загрязнителей воздуха.
3. Вентиляция в помещении осуществляется естественная, безо всякого дополнительного оборудования.

Далее, была растоплена печь, в качестве горючего использован каменный уголь. На стадии появления синеньких огоньков (сгорание угарного газа), была прикрыта отдушина в трубе (печная заслонка).

Соблюдая технику безопасности, люди покинули помещение.

Оценка внешнего вида и состояния растений производилась через 1 час, 1,5 часа, 2 часа. (Таблица 1)

 

Таблица1

Фиксация изменений биологически значимых показателей у комнатных растений при загрязнении воздуха угарным газом

 

Результат эксперимента показал, что из испытуемых растений, «дышавших» загрязненным угарным газом воздухом, только гардения, среагировала на фитотоксикант — листья пожелтели — произошла деградация хлорофилла — зелёного пигмента, окрашивающего хлоропласты растения в зелёный цвет и необходимого для осуществления процесс фотосинтеза (изменение биологически значимых показателей). (Рисунок 3)

Рис. 2. Изменение биологически значимых показателей (деградация хлорофилла)

 

у комнатного растения гардении жасминолистной при загрязнении воздуха угарным газом

«Живой прибор» раньше заводского «просигнализировал» о загрязнении. (Таблица 2)

 

Таблица 2

Сравнение чувствительности гардении жасминолистной и детектора загрязнителей воздуха «Спасатель» к токсичному загрязнению воздуха угарным газом

 

Заключение

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Растения реагируют на изменение токсичности окружающей среды.
2. Растения являются более чувствительными к изменению окружающей среды, чем бытовые детекторы.
3. Биотестирование является более оперативным способом оценки качества окружающей среды.
4. Биомониторинг — способ менее дорогостоящий по сравнению с остальными методами.
5. Методы и способы биоиндикации более понятны «непрофессионалам».

В наше время тема загрязнения среды, экологических проблем выходят на первый план. Хотя еще недавно люди совершенно не задумывались о будущем. Не понимали, что жизнь и процветание нашей планеты и существ, растений, заселяющих её, зависит от многих факторов. Экологическая проблема — самая важная.

Взаимоотношения «человек — природа» всегда должны быть гармоничными, потому что только это обеспечит человеку здоровье и качественное развитие всего общества.

Сохранение природы в первозданном виде является отображением культуры каждого человека и общества в целом. Выполнив свое исследование, я могу утверждать, что несмотря на доступность, биоиндикация является достаточно сложным исследованием. Поэтому полученный опыт готов передавать всем, кто к этому проявляет интерес.

Испытуемое растение — гардения жасминолистная — среагировало на токсичность окружающей среды и проявило себя как более чувствительный и надежный индикатор загрязненности атмосферы в сравнении с заводским детектором, к тому же работающем от электричества. А это значит, моя гипотеза подтвердилась, «зеленые контролеры» со станций фонового мониторинга могут «работать» в домашних условиях.

 

Литература:

 

1.      Артамонов В. И. Растения и чистота природной среды / режим доступа: https://bio.wikireading.ru/6047
2.      Афанасьев Ю. А., Фомин С. А., Меньшиков В. В. Мониторинг и методы контроля окружающей среды: Учеб. пособие в 2 частях: Часть 2. Специальная / Ю. А. Афанасьев, С. А. Фомин, В. В. Меньшиков и др. — М.: Издано МНЭПУ, 2001–337 с.
3.      Ашихмина Т. Я., Домрачева Л. И., Кондакова Л. В. Биоиндикация и биотестирование — методы познания экологического состояния окружающей среды / Т. Я. Ашихмина, Л. И. Домрачева, Л. В. Кондакова и др. — Киров: ГПУ, 2005.-52с.
4.      Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб. пособие для студ. вузов, обучающихся по направлению подготовки «Биология» и биол. спец./ под ред. О. П. Мелеховой, Е. И. Сарапульцевой.-2-е изд., испр.- М.: Академия, 2008. — 288 с.
5.      Бубнов А. Г., Буймова С. А., Гущин А. А. Биотестовый анализ — интегральный метод оценки качества объектов окружающей среды: учебно-методическое пособие / А. Г. Бубнов, С. А. Буймова, А. А. Гущин и др.; под общ. ред. В. И. Гриневича; ГОУ ВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2007. — 112 с.
6.      Емельянов А. Г., Муравьева Л. В., Тихомиров О. А. Основные понятия и положения концепции комплексного экологического мониторинга геосистем региона: научная статья / Тверской государственный университет, 2014. / режим доступа: http://naukarus.com/osnovnye-ponyatiya-i-polozheniya-kontseptsii-kompleksnogo-ekologicheskogo-monitoringa-geosistem-regiona
7.      Меженский В. Н. Растения-индикаторы / В. Н. Меженский. — М.: ООО «Издательство ACT», 2004. — 76 с.
8.      Романова Е. М. Биоиндикация и антропогенные стрессоры: курс лекций по Экология / д.б.н. Е. М. Романова.- Ульяновск: Ульяновская ГСХА им. П. А. Столыпина, 2014. — 135с.
9.      Экологический мониторинг: Учебно-методическое пособие. Изд. 3-е, испр. и доп. / Под ред. Т. Я. Ашихминой. — М.: Академический Проект, 2006. —416 с.
10. Статья «Биомониторинг окружающей среды — метод будущего» / режим доступа: http://www.arhnet.info/story-2012-biomonitoring-okruzhajushhjej-srjedy--mjetod-budushhjego
11. Интернет-ресурс: Экосистема / режим доступа: http://www.ecosystema.ru
12. Интернет-ресурс: Википедия / режим доступа http://www.wikipedia.ru
13. Интернет-ресурс: Окружающая среда / режим доступа: http://www.okruzhayushchaya-sreda.ru
14. Интернет-ресурс: Центр экологических экспертиз / режим доступа: http://ekoex.ru/monitoring-zagryazneniya-okruzhayushhej-sredy/
15. Инструкция по эксплуатации бытового универсального детектора загрязнителей воздуха «Спасатель» (ООО «НПП «БИОС», г. Смоленск)

[1]  Юрий Антониевич Израэль (15 мая 1930, Ташкент — 23 января 2014, Москва) — советский и российский метеоролог, академик РАН