ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
БИОМОНИТОРИНГ МЕТОДОМ БИОИНДИКАЦИИ
Флуктуирующая асимметрия древесных и травянистых форм растений как
тест-система оценки качества среды
Цель работы: Интегральная экспресс-оценка качества среды обитания живых организмов по флуктуирующей асимметрии листовой пластины березы повислой (Betula pendula).
Задачи:
1. Освоить основные принципы применения метода флуктуирующей асимметрии растений в биоиндикации.
2. Ознакомиться с основными биоиндикаторами метода.
3. Освоить принципы сбора и обработки материала для метода флуктуирующей асимметрии.
4. Изучить бальную систему качества среды обитания живых организмов по показателям флуктуирующей асимметрии высших растений.
Материалы и оборудование: курвиметр (линейка); циркуль-измеритель; транспортир; гербарий листьев березы повислой.
Сбор материала
Сбор материала производился согласно методике оценки состояния природных популяций по стабильности развития (Захаров и др., 1996), которая была доработана и уточнена (Шестакова, Стрельцов, Константинов, 2000). Необходимо выбрать деревья с чётко определяющимися признаками березы повислой (Betula pendula Roth.) во избежание попадания гибридных форм. Сбор материала производили после завершения интенсивного роста листьев, что, примерно, соответствует концу мая - началу июня и до их опадания осенью (конец сентября).
Места взятия выборок необходимо унифицировать, выбирая сходные экологические условия: открытые участки, избегая затененных участков. Для сбора материала использовали только средневозрастные растения, избегая молодые экземпляры и старые.
Повреждённые листья можно использовались в исследовании. При условии, что повреждения незначительны и имеют механический характер, не затрагивая участки, с которых снимались значения промеров. Листья брались из нижней части кроны, на уровне поднятой руки, с максимального количества доступных веток (стараясь задействовать ветки разных секторов кроны). Учитывался тип побега – использовались листья только с укороченных побегов. Листья брались, примерно, одного, среднего для данного вида размера.
Для возможного последующего анализа каждой особи, листья с одного дерева связывали ниткой по черешкам. Собранная таким образом выборка помещалась в полиэтиленовый пакет и снабжалась этикеткой.
Хранение материала
Большинство выборок обрабатывались сразу после сбора. Для кратковременного хранения (несколько суток) её помещали на нижнюю полку в холодильнике. Для длительного хранения использовали фиксатор - спирт, разведённый глицерином или водой в соотношении 1:3.
Теоретическая часть
Биоиндикаторы - организмы, которые реагируют на изменения окружающей среды своим присутствием или отсутствием, изменением внешнего вида, химического состава, поведения.
Биологический контроль окружающей среды включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы.
Биоиндикация (bioindication) - 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, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процесса и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.
Биотестирование (bioassay) - процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо то того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живих организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул) В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ.
Последствия загрязнения окружающей среды отражаются на внешнем виде растений. У растений под влиянием вредных веществ происходит увеличение числа устьиц, толщины кутикулы, густоты опушения, развивается хлороз и некроз листьев, раннее опадание листвы. Некоторые растения наиболее чутко реагируют на характер и степень загрязнения атмосферы. Это означает, что они могут служить живыми индикаторами состояния среды. В настоящее время разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды, составной частью которого является биологический мониторинг. Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, так и для оценки качественного состояния природной среды. Обнаружив по состоянию растений присутствие в воздухе специфических загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ различными методами, например, испытанием растений в лабораторных условиях.
При экологическом мониторинге загрязнений использование биоиндикаторов часто дает более ценную информацию, чем прямая оценка загрязнения приборами, так как биоиндикаторы реагируют сразу на весь комплекс загрязнений. Кроме того, обладая <памятью>, биоиндикаторы своими реакциями отражают загрязнения за длительный период. На листьях деревьев при загрязнении атмосферы появляются некрозы (отмирающие участки). По присутствию некоторых устойчивых к загрязнению видов и отсутствию неустойчивых видов (например, лишайников) определяется уровень загрязнения атмосферы городов.
При использовании биондикаторов важную роль играет способность некоторых видов аккумулировать загрязняющие вещества.
Для выявления разных загрязняющих веществ используются разные виды биоиндикаторов: для общего загрязнения - лишайники и мхи, для загрязнения тяжелыми металлами - слива и фасоль, диоксидом серы - ель и люцерна, аммиаком - подсолнечник, сероводородом - шпинат и горох, полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) - недотрога и др.
При оценке загрязнения водных экосистем в качестве биоиндикаторов могут использоваться высшие растения или микроскопические водоросли, организмы зоопланктона (инфузории-туфельки) и зообентоса (моллюски и др.). В средней полосе России в водоемах при загрязнении воды разрастаются роголистник, рдест плавающий, ряски, а в чистой воде - водокрас лягушачий и сальвиния.
С помощью биоиндикаторов можно оценивать засоление почвы, интенсивность выпаса, изменение режима увлажнения и т. д. В этом случае как биоиндикатор чаще всего используется весь состав фитоценоза. Каждый вид растений имеет определенные пределы распространения (толерантности) по каждому фактору среды, и потому сам факт их совместного произрастания позволяет достаточно полно оценивать экологические факторы.
Возможности оценки среды по растительности изучаются специальным разделом ботаники - индикационной геоботаникой. Ее основной метод - использование экологических шкал, т. е. специальных таблиц, в которых для каждого вида указаны пределы его распространения по факторам увлажнения, богатства почвы, засоления, выпаса и т. д. В России экологические шкалы были составлены .
Широкое распространение получило использование деревьев как биоиндикаторов изменения климата и уровня загрязнения окружающей среды. Учитывается толщина годичных колец: в годы, когда выпадало мало осадков или в атмосфере повышалась концентрация загрязняющих веществ, образовывались узкие кольца. Таким образом, на спиле ствола можно видеть отражение динамики экологических условий.
Основополагающим принципом биологического мониторинга является установление оптимального контрольного уровня, любые отклонения от которого свидетельствуют о стрессовом воз действии. Обычно при оценке оптимума по какому-либо одному параметру возникает вопрос о том, будут ли данные условия оптимальными также для других характеристик организма. Однако если исследуемые параметры характеризуют основные свойства организма в целом, то их оптимальный уровень оказывается сходным. Например, столь разные и, казалось бы, совершенно независимые параметры, как асимметрия морфологических признаков, показатели крови, интенсивность потребления кислорода, ритмика роста и частота хромосомных аберраций, могут изменяться синхронно, когда при определенном стрессовом воздействии в действительности изменяется наиболее общая базовая характеристика организма - гомеостаз развития.
Практическая работа.
Задания.
1. Используя рисунок 1 проведите измерения следуя схеме промеров рис.1.
2. Промеры 1 – 4 снимаются циркулем-измерителем, угол между жилками (признак 5) измеряется транспортиром. Для этого центр основания окошка транспортира совмещают с точкой ответвления второй жилки второго порядка от центральной жилки. Эта точка соответствует вершине угла. Кромку основания транспортира надо совместить с лучом, идущим из вершины угла и проходящим через точку ответвления третьей жилки второго порядка.
Второй луч, образующий измеряемый угол, получают, используя линейку. Этот луч идет из вершины угла и проходит по касательной к внутренней стороне второй жилки второго порядка. Результаты исследований заносятся в таблицу 1.
Рис. 1 - Схема промеров, используемых для оценки стабильности
развития березы повислой (Betula pendula)
|
3. Для мерных признаков величина асимметрии у растений рассчитывается как различие в промерах слева и справа, отнесенное к сумме промеров на двух сторонах. Интегральным показателем стабильности развития для комплекса мерных признаков является средняя величина относительного различия между сторонами на признак. Этот показатель рассчитывается как среднее арифметическое суммы относительной величины асимметрии по всем признакам у каждой особи, отнесенное к числу используемых признаков.
4. Сначала вычисляется относительная величина асимметрии для каждого признака. Для этого модуль разности между промерами слева (Л) и справа (П) делят на сумму этих же промеров:
|Л-П| / |Л+П|,
Например расчета: Лист №1 (таблица 1),
признак 1 |Л-П|/|Л+П| = |18-20|/|18+20| = 2/38 = 0,052
Полученные величины заносятся во вспомогательную таблицу 2.
5. Затем вычисляют показатель асимметрии для каждого листа. Для этого суммируют значения относительных величин асимметрии по всем признакам и делят на число признаков.
Например, для листа 1 : (0,052+0,015+0+0+0,042)/5 = 0,022
Результаты вычислений заносят во вспомогательную таблицу.
6. На последнем этапе вычисляется интегральный показатель стабильности развития – величина среднего относительного различия между сторонами на признак. Для этого вычисляют среднюю арифметическую величину асимметрии для выборки листьев. Это значение округляется до третьего знака после запятой. В нашем случае искомая величина равна:
(0,022+0,015+0,057+0,061+0,098+0,035+0,036+0,045+0,042+0,012)/10 = 0,042
7. Статистическая значимость различий между выборками по величине интегрального показателя стабильности развития (величина среднего относительного различия между сторонами на признак) определяется по t-критерию Стьюдента.
Таблица 1- Образец таблицы для обработки данных по оценке стабильности развития с использованием мерных признаков
Номер признака | ||||||||||
Номер образца | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||||
л | п | л | п | л | п | л | п | л | п | |
1 | 18 | 20 | 32 | 32 | 4 | 4 | 12 | 12 | 46 | 50 |
2 | ||||||||||
3 | ||||||||||
4 | ||||||||||
5 | ||||||||||
6 | ||||||||||
7 | ||||||||||
8 | ||||||||||
9 | ||||||||||
10 |
Таблица 2- Вспомогательная таблица для расчета показателя стабильности развития
Номер образца | Номер признака | Величина асимметрии листа | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
1 | 0,052 | 0,015 | 0 | 0 | 0,042 | 0,022 |
2 | ||||||
3 | ||||||
4 | ||||||
5 | ||||||
6 | ||||||
7 | ||||||
8 | ||||||
9 | ||||||
10 | ||||||
Величина асимметрии в выборке: | X=0,042 |
Таблица 3 - Пятибалльная шкала оценки отклонений состояния организма от условной нормы по величине интегрального показателя стабильности развития для березы повислой (Betula pendula)
I - чисто, II - относительно чисто «норма»; III - загрязнено «тревога»; IV - грязно «опасно»; V - очень грязно «вредно» | ||||||||||||
