ГБОУ Школа № 000
ОСОБЕННОСТИ ЭКОЛОГИИ КРАСНОКНИЖНОГО ЛИШАЙНИКА
ЛОБАРИИ ЛЁГОЧНОЙ НА ТЕРРИТОРИИ КАВКАЗСКОГО БИОСФЕРНОГО ЗАПОВЕДНИКА В ПОСЁЛКЕ ГУЗЕРИПЛЬ
Автор работы:
Полина Андреевна Дербилова, 9 кл.
Анна Андреевна Хренова, 10 кл.
ГБОУ Школа № 000
Руководитель:
,
учитель биологии ГБОУ школа № 000
Москва, 2017
Содержание
Введение …………………………………………………………….… 3
Обзор литературы.…………………………………………………… 4
Цель и задачи. ……………………………………………………… 5
Оценка экологических рисков.……………………………………… 6
Материал и методики. ………………………………………….…… 7
Результаты экспериментальной части. ……………………………… 9
Обсуждение результатов. …………………………………………… 13
Выводы и итоги реализации. ……………………………………….… 13
Заключение. .……………………………………………………………. 13
Благодарности. …………………………………………………………. 14
Литература. ……………………………………………………………... 15
Приложение 1 ……………………………………………………..…… 17
Введение
Единственный способ сохранения жизни на Земле является обеспечение развития биологических видов. Для этого следует исследовать причины занесения видов в Красную книгу. В настоящее время Красная книга России включает в себя 42 вида лишайников, один из которых является объектом исследования нашей работы - Лобария лёгочная, с категорией 2б, которая присуждается видам с неуклонно сокращающейся численностью в результате изменений условий существований из-за антропогенного воздействия. Лишайники лишены возможности избавления от части накопившихся вредных веществ в талломе, поэтому по их состоянию можно судить о степени загрязнения воздуха. Следовательно, они служат биоиндикаторами окружающей среды, так как проявляют повышенную чувствительность к химическому загрязнению. Наиболее опасны для лишайников оксиды азота, угарный газ, соединения фтора, а самое негативное воздействие на них оказывают соединения серы, особенно сернистый газ. Человек несет полную ответственность за изменения, происшедшие в природных сообществах. Исчезающий вид лишайника Лобария лёгочная не была ранее изучена на территории Кавказского биосферного заповедника, что доказывает актуальность нашей работы.
Обзор литературы
1.1 Встречаемость Lobaria pulmonaria в заповедниках России
В 15 заповедниках L. pulmonaria является редким или очень редким видом, в 5 заповедниках вид встречается местами и только в 9 заповедниках России вид встречается часто [1].
1.2 Основные сведения о фотосинтетических пигментах
В естественных условиях образование феофитина происходит при старении листьев. Его появление вызвано увеличением проницаемости мембран и проникновением в хлоропласт кислого клеточного сока.
В растительном материале фотосинтетические пигменты находятся в составе пигмент-белковых комплексов и комплексов с липидами и сосредоточены в хлоропластах. Существует множество методов выделения пигментов из растительной клетки. При получении вытяжки пигментов используются процедуры гомогенизации тканей и последующие обработки гомогената органическими растворителями. Удачный подбор системы растворителей (полярных и неполярных) позволяет практически полностью выделить пигменты, переведя их в раствор [10].
1.3 Тонкослойная хроматография (ТСХ)
ТСХ является одним из вариантов плоскостной жидкостной хроматографии (ЖХ), в котором разделение веществ происходит на открытом слое сорбента. Это определяет простоту, легкость проведения хроматографического эксперимента и низкую стоимость оборудования ТСХ. ТСХ используют не только как аналитический, но и препаративный метод, который обеспечивает разделение вещества в пределах от 10-3 – 10-12 г [7].
1.4 Предыдущие исследования
Согласно данным, представленным в работе в южной тайге Европейский части России, (1996) L. pulmonaria встречается в различных типах леса, однако преобладающее число местонахождений известно для хвойных экосистем. Иногда L. pulmonaria встречается на стволах и ветвях сухостойных деревьев, а в местах слаборазвитого древостоя вид может избирать в качестве субстратов покрытые мхом валуны, скалы, валеж, а иногда и почву.
В работе , (2014) приводятся причины необнаружения старых местонахождений охраняемого вида лишайника Лобарии легочной и также предлагаются меры по сохранению ее новых местонахождений.
В. Игнатенко, рассматривали распространенность вида в пределах Петрозаводского государственного округа, предпочтение северных и восточных экспозиций, а также зависимость количества талломов от высоты и возраста субстрата.
Изучены факторы, лимитирующие распространение этого редкого лишайника, в заповеднике “Кологривский лес” (Иванова, 2015). Показано, что места обитания L. pulmonaria приурочены к наименее нарушенным антропогенными воздействиями лесным участкам, которые характеризуются более высоким уровнем освещенности по сравнению с другими сообществами.
В результате анализа вышеуказанной литературы мы пришли к двум гипотезам:
Лобария лёгочная предпочитает восточные и северные экспозиции. Лобария лёгочная встречается в различных типах леса, однако преобладающее число местонахождений известно для хвойных экосистем.Цель работы
Цель данной работы является изучение экологических особенностей Лобарии лёгочной на территории Кавказского биосферного заповедника в окрестности посёлка Гузерипль.
Задачи работы
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Изучить субстратные предпочтения Лобарии лёгочной. Выяснить на какой стороне света и на какой высоте деревьев достигается наибольший размер слоевища. Определить высоты над уровнем моря, на которых встречается Лобария лёгочная. Провести подбор оптимальной элюирующей системы для тонкослойной хроматографии пигментов в экстракте лишайника Лобария лёгочная.Оценка экологических рисков
Основной причиной создания Кавказского биосферного заповедника являлась охрана исчезающего вида зубра, которого сейчас насчитывается около 1500 голов. Одним из источников питания данных животных являются талломы лишайников, в том числе Лобарии лёгочной.[2] Кавказский заповедник является охраняемой территорией следовательно, уничтожение старовозрастных лесов отсутствует, однако эта территория частично открыта для туристов, которые влияют на естественные местообитания и могут собирать лишайник в лекарственных целях. Территория Кавказского заповедника прилегает к местности Краснодарского края, в котором основными веществами загрязнения воздуха, являются соединения углерода, азота и серы, пагубно сказывающиеся на талломах Лобарии лёгочной.
Рис. . Роза ветров в районе исследований.
Заповедник также окружает несколько заводов, но большинство из них располагается на маловетреном западе, следовательно, загрязнение природной среды небольшое. Со стороны более ветреного юга располагается только один завод, который является ювелирным и в силу особенностей своей работы не наносит особого экологического вреда.
Материал и методики
Материалом для написания данной работы послужили собственные сборы, проведенные на территории Кавказского биосферного заповедника с 30 октября по 5 ноября. В работе были использованы полевые и химические методы исследования.
4.1 Полевые методы
К полевым исследованиям относится серия маршрутов, в результате которых были выявлены места для закладки 27 площадок, отражающих основное типологическое разнообразие коренных лесов заповедника. На 12 из них подробным лихенологическим методом было описано 89 деревьев: 70 пихт Нордмана (Abies nordmanniana (Steven) Spach) и 19 буков восточных (Fagus orientalis Lipsky). При описании стволов деревьев, на которых произрастали лишайники, учитывалась порода, а для каждого найденного слоевища указывалась высота его расположения на стволе, экспозиция и диаметр.
4.2 Химические методы
Пробоподготовка образцов для хроматографии.
Взвесили 3,6 г сухого растительного материала, измельчили и поместили в ступку с добавлением кварцевого песка и 10 мл этанола. Растёрли смесь и произвели фильтрацию гомогената до полного осушения. Осушенный гомогенат перенесли в ступку, добавив немного растворителя, снова растёрли и отфильтровали, как описано выше. Процедуру повторяли несколько раз до полного извлечения пигментов. Полученная таким образом вытяжка содержит хлорофиллы и была использована для проведения тонкослойной хроматографии [10].
Тонкослойная хромотография
Вытяжку наносили капилляром на небольшом расстоянии от края силуфоловой пластинки на стартовую линию. Пластинка на время разделения была помещена в герметически закрытую прозрачную камеру, насыщенную парами растворителя, край пластинки погружали в растворитель, который действует как подвижная фаза жидкостной адсорбционной хроматографии. Под действием капиллярных сил растворитель поднимается вверх по пластинке и переносит за собой пигменты вытяжки, что приводит к их пространственному разделению. Разделяемые пигменты на пластинке образовывали отдельные зоны (пятна). Хроматографирование продолжалось до тех пор, пока растворитель не пройдет от линии старта около 10 см до так называемой линии фронта. После этого пластинку вынимали из хроматографической камеры, подсушивали на воздухе и определяли положение пятен (рис. 1) [10].
3) Определение количества экстрагируемых веществ.
При определении веществ, растворимых в органических растворителях, для экстрагирования использовался специальный стеклянный аппарат Сокслета, который позволяет работать со сравнительно небольшими количествами растворителя.
Аппарат Сокслета состоит из колбы для растворителя, насадки для экстрагирования с сифонной трубкой и обратного холодильника. Все части аппарата соединены шлифами (рис.№2). Высокая эффективность экстрагирования обеспечивается многократным чередованием сливов растворителя через сифон и наполнений насадки для экстрагирования свежим растворителем.
Навеску сухого измельчённого таллома массой 3,6 г. помещали в патрон, свёрнутый из фильтровальной бумаги. Патрон помещали в насадку для экстрагирования, а в колбу наливали 150 – 300 мл растворителя (этанол). После сборки прибора его нагревали с помощью колбообогревателя. Экстрагирование продолжали в течении 6 – 8 часов при энергичном кипении растворителя, сливы через сифонную трубку происходили примерно через каждые 10 – 15 мин. Затем аппарату давали остыть, после чего отсоединяли насадку от колбы и холодильника.
Для количественного определения растворимых веществ из насадки доставали патрон и помещали на чашку Петри. Растворитель естественным путем испарился в течении длительного времени (около одной недели). Затем высушенный экстракт высыпали и взвешивали на аналитических весах с точность до 0,0002 г.
Массовую долю экстрактивных веществ рассчитывали по формуле:
где m - масса абсолютно сухой навески таллома лишайника до экстрагирования, г;
m1- масса абсолютно сухой навески лишайника после экстрагирования, г.
Результаты экспериментальной части
В Кавказском Биосферном заповеднике в районе посёлка Гузерипль L. pulmonaria встречалась на преобладающих в этом участке древесных породах: бук восточный (Fagus orientalis Lipsky) и пихта Нордмана (Abies nordmanniana (Steven) Spach). На долю буковых пород пришлось 79% находок.(рис. №3)
Рис. 3. Субстратные предпочтения Лобарии лёгочной.
Обнаружено, что L. pulmonaria произрастает на различных экспозициях и в целом распределена на стволах достаточно равномерно (рис. 4). Отмечено лишь незначительное предпочтение видом западных и северных экспозиций (28%).
Лобария лёгочная была найдена на высотах от 440 м до 1880 м (н. у. м.) (рис. 5), причем её наибольшее количество встречается на высоте 800 м (н. у. м.), (рис.№6).
Рис №4. Стороны света, на которых достигается наибольший размер слоевища Лобарии
Ось у – высота над уровнем моря
Рис. 5. Высоты (н. у. м.), на которых встречается Lobaria pulmonaria.
Рис. 6. Высоты (н. у.м.), на которых встречается Лобария лёгочная.
Рис. 7. Влияние высоты произрастания на диаметр слоевища Лобарии лёгочной
Мы предполагаем, что диаметр слоевища больше на 2 метрах на стволе деревьев из-за уровня снега и освещенности на разных сторонах света.
В результате химического эксперимента было изучено 8 типов элюирующих систем (таблица 1). Из них наиболее удачной является 4 тип.
Таблица №1. Характеристика элюирующих систем.
Состав элюента | Результат разделения |
1)Петролейный эфир-ацетон (95:5) | Осталось на линии старта. |
2) Петролейный эфир-этанол (16:1) | Хроматография прошла, слабо разделилось на несколько пятен. |
3) Петролейный эфир-ацетон (1:1) | Дошло до линии максимума нахождения раствора. |
4) Ацетон-петролейный эфир (3:7) | Хроматография прошла успешно, разделилось на несколько пятен. |
5)Этанол-гексан (1:1) | Дошло до линии максимума нахождения раствора. |
6)Уайт-спирит | Осталось на линии старта. |
7)Гексан-этанол (3,5:4,5) | Осталось на линии старта. |
8)Гексан | Осталось на линии старта. |
По результатам хроматограмм было выявлено, что на высоте 800 м (н. у. м.) феофитина нет, или он содержится в гораздо меньшем количестве, чем на высотах 650 м и 1200 м (н. у. м) (таблица 1).
Таблица№2. Результаты хроматографии.
№ | h | Число пятен | Rf1 | Rf2 | Rf3 | Rf4 |
1 | 650 | 3 | - | 0,3 | 0,4 | 0,5 |
2 | 800 | 3 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | - |
3 | 1200 | 4 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 |
Обсуждение результатов
Установлено, что лобария легочная встречается в сообществах, различных по составу, возрасту и характеру предшествующих воздействий. На исследованной территории L. pulmonaria отмечена на деревьях двух видов: Fagus orientalis и Abies nordmanniana, преимущественно на Fagus orientalis.
Лобария легочная произрастает на различных экспозициях и в целом распределена на стволах достаточно равномерно. Отмечено лишь незначительное предпочтение видом западных и северных экспозиций, так как запад является маловетреный стороной (мы это определили по розе ветров), а север тенистой.
Лобария лёгочная была найдена на высотах от 440м до 1880м (н. у.м.), причем её наибольшее количество встречается на высоте 800м (н. у.м.), это связано с оптимальным давлением и погодными условиями на этой высоте.
По данным хроматографии содержание феофитина в талломе лишайника на высоте 800м значительно меньше, чем на высотах 650 и 1200, из этого следует, что растение на высоте 800 м ( в таких условиях обитания) чувствует себя лучше чем на 650 и 1200. Наши данные согласуются с данными по распространению лишайника, он действительно более распространен на высоте 800 м.
Выводы и итоги реализации проекта
В качестве субстрата Лобария лёгочная больше предпочитает лиственные породы деревьев. Наибольший размер слоевища достигается на севере и западе. Максимальный диаметр слоевища достигается на высоте 2 метра. Лобария лёгочная была найдена на высотах от 440 до 1880 метров над уровнем моря. Наибольшее количество Лобарии было найдено на высоте около 800 метров над уровнем моря.
Наши данные, связанные с предпочтением Лобарии лёгочной западных и северных экспозиций, частично подтвердили вторую гипотезу, основанную на работе В. Игнатенко, (2014).
Так как мы нашли больше Лобарии легочной на буке, следовательно она предпочитает лиственный субстрат, что опровергает вторую гипотезу, основанную на прочитанной литературе.
Заключение
Проведенное исследование позволило выделить факторы, лимитирующие распространение редкого лишайника L. pulmonaria в Кавказском Биосферном заповеднике в районе поселка Гузерипль. К ним относится загрязнение воздуха из-за заводов. Мы выяснили, что Лобария легочная растет на различных высотах, и что она предпочитает высоту около 800 м. Также мы выяснили, что лишайник растет преимущественно на северной и западной экспозиции, на высоте 2 м на стволе дерева, в основном на Буке восточном. Все эти сведения мы добыли с помощью полевых и химических методов.
Благодарности
Мы хотим сказать большое спасибо всей школе 171 за оказанную помощь, Анастасии Полинской за предоставленные фотографии, Анне Таракановой и Александре Харитоновой за помощь, Ирине Поливановой, Елене Ратайчук, Регине Чуковой и Ирине Рыжковой за то, что поделились сборами, Кавказскому Биосферному заповеднику за предоставленную территорию для работы, всей экспедиционной группе за неповторимую атмосферу и отдельное спасибо Смирнову Ивану Алексеевичу, нашему научному руководителю, учителю биологии в ГБОУ школе 171, за поддержку и веру в наши силы, также хотим сказать большое спасибо Татьяне Владимировне Глушкове и Владимиру Ивановичу Завалискому за помощь в химической части нашего проекта.
Литература
Биология Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. и Menegazzia terebrata (Hoffm.) Massal. в южной тайге Европейской части России//Автореф. дисс. … канд. биол. наук. М., 1996. 24 с. , Фитогеографические Наблюдения за Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. в Мордовском заповеднике//Вып. 12. Саранск; Пушта, 2014 Популяционная экология эпифитного лишайника Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm на территории Урала и Сибири//Автореф. дисс. …канд. биол. наук. 03.02.08-экология Екатеринбург – 2011 Лимитирующие факторы распространения редкого лишайника Lobaria pulmonaria (на примере лесов заповедника “Кологривский лес”)//Известия ран. Серия биологическая, 2015, № 2, с. 187–196 , Состояние популяции охраняемого лишайника Лобария лёгочная (Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm) в растительных сообществах Петрозаводского городского округа.//Ученые записки Петрозаводского государственного университета, декабрь, №8 Т. 2 - 2014. , , Учебный определитель лишайников Средней России: учебно - методическое пособие. - Ряз. гос. ун-т им. . — Рязань, 2011. — 360 с. ; цв. вкл. , , Тонкослойная хроматорафия. Теоретические основы и практическое применение: Учебное пособие.- Издание 3-е, дополненное. 128 с. , , Выбор оптимальной системы для определения пигментов листьев крапивы двудомной методом ТСХ//Воронежский государственный университет - Воронеж, 09.11.2012 , , Определение жирорастворимых витаминов в растительных объектах методом ТСХ//Воронежский государственный университет - Воронеж, 11.09.2013 , , Физиология растений: лабораторный практикум для студентов биологического факультета// Минск : БГУ, 2011.
Приложение
