Transcript
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия» кафедра естественных наук КУРСОВАЯ РАБОТА Реакция растений на химические загрязнения. Оценка металлоустойчивости. Исполнитель: студентка, 2 курс, 31 группа, ИЕМИ (Мехтиева Ламан Сабир кзы) Научный руководитель: Заведующая кафедрой естественных наук, доктор биологических наук, доцент, Жуйкова Татьяна Валерьевна Нижний Тагил 2013год СОДЕРЖАНИЕ Введение….…………………………………………………………….……........... ГЛАВА I………………………………………………………………………………. 1.1 …………………………………………………………………………. 1.2 …………………………………………………………………………. ГЛАВА II. ……………………………………………………………………………. 2.1 …………………………………………………………………………. 2.2 …………………………………………………………………………. Заключение……………………………………………………………………... …...... Список литературы……..……………………………………….. …………………... Приложения……………………………………………….…….…………….……. … ВВЕДЕНИЕ Развитие растений тесно связано с условиями окружающей среды. Температуры, характерные для данного района, количество осадков, характер почв, биотические параметры и даже состояние атмосферы – все эти условия, взаимодействуя между собой, определяют характер ландшафта и виды растений являющихся его частью. Если окружающие условия изменяются, то изменяется и растительный мир. Если изменение условий очень значительны, то растения, обладающие большой чувствительностью к таким изменениям, испытывают стресс и, в конечном счете, могут погибнуть. Значительные изменения даже какого–либо одного параметра могут приводить к гибели растений. В нормальных условиях в атмосфере содержится огромное число компонентов – как газообразных, так и в виде аэрозолей. Помимо основных компонентов – кислорода и азота, а так же важного, но присутствующего в меньших количествах диоксида углерода, воздух содержит различные химические соединения, которые следует рассматривать как загрязнения. К ним относятся некоторые углеводороды, выделяемые самими растениями, а также серосодержащие соединения, являющиеся продуктами жизнедеятельности бактерий. Установлено, что такие биогенные источники ответственны за 11% от общего количества диоксида серы, попавшего в атмосферу. Оставшаяся часть образуется в результате деятельности человека, то есть поступает из антропогенных источников. В атмосфере обычно присутствуют оксиды азота. Они в основном образуются при электрических разрядах молний и в результате биологического окисления, главным образом бактериями. Из искусственных источников поступает только около 10% общего количества оксидов азота. Тем не менее, эти источники весьма существенны, поскольку вблизи городских центров происходит концентрация загрязнений в атмосфере. Антропогенными источниками оксидов являются процессы горения, при которых происходит окисление воздуха до NO. Чем выше температура, тем больше образуется оксидов. В дневное время происходит дальнейшее окисление NO до NO2 в результате химических реакций. Часть NO2 расходуется с образованием озона, пероксиацилнитратов и других загрязняющих веществ. Таким образом, предшественники многих основных загрязняющих веществ уже имеются в обычных условиях в атмосфере. Поскольку растения развивались в присутствии таких соединений в обычных концентрациях, в этих условиях редко наблюдаются какие либо отрицательные воздействия на них. Эти воздействия обнаруживаются только тогда, когда концентрация загрязнений оказывается выше допустимого порогового уровня. Такое превышение может произойти во многих случаях. Одним из наиболее наглядных примеров являются местности, расположенные около металлургических заводов, где для атмосферы характерны высокие концентрации оксидов серы и тяжелых металлов. В этих условиях многие растения неспособны к выживанию. Любая популяция растений включает в себя различные индивидуальности. Точно так же, как один вид растений может быть более или менее чувствительным к загрязнениям, чем другой, внутри популяции каждого вида может различаться чувствительность отдельных экземпляров. Поэтому в присутствии определенных количеств загрязнений наименее устойчивые виды и экземпляры ослабевают или гибнут, в то время как более устойчивые продолжают участвовать в производстве следующего поколения растений. В этом поколении также может проявиться аналогичное различие в устойчивости, и, таким образом, процесс селекции продолжается, и популяции растений приходится реагировать на дополнительные параметры, связанные с воздействием окружающей среды. К сожалению, не все популяции растений обладают генетической структурой, обеспечивающей устойчивость по отношению к существующим концентрациям всех загрязнений. Во многих случаях скорость увеличения количества загрязнений в атмосфере превышает скорость перестройки генетического аппарата популяции, что не дает возможности растениям приспособиться к изменению окружающих условий. При загрязнении окружающей атмосферы такие виды исчезают. В наше время решение такой проблемы как устойчивости экосистем требует соотнесения характеристик стабильной жизнедеятельности экосистем с величиной оказываемого на них антропогенного воздействия (или же негативного природного). Не касаясь бесчисленного множества аспектов проблематики, стоит обратить внимание на такое свойство экосистем, как регенерация, то есть способность к восстановлению деформированных структур и функций. Это свойство находит выражение в процессах самоорганизации (самокоординации, саморегуляции, самовосстановления, самоочищения), которые следует рассматривать как важнейшие составляющее экологического потенциала. Свойство регенерации может быть реализовано в полной мере только в экосистемах, имеющих определенные структуры и особенности вещественно-энергетических взаимосвязей с внешней средой. Природная эволюция для этого выстроила всю иерархию биосферы: от автотрофного мира фотосинтеза (продуцентов) до гетеротрофов различных уровней, питающихся произведённой органикой, разлагающих ее и снова возвращающих вещества на нижние ярусы продуцентов для возобновления жизненного цикла. Это сложнейшая целостно взаимосвязанная структура каналов распределения биогенной энергии, потоков информации, ее координирующих и регулирующих течение процессов может быть нарушена при эксплуатации экосистем, выходящей за пределы их несущей емкости, в пределах которой экосистемы сохраняют жизнеспособность, продуктивность и свойства самовосстановления. Определение пределов устойчивости экосистем - важнейшая и в то же время сложнейшая научная задача, решение которой дает возможность установить допустимую меру антропогенного вмешательства в природные системы и выработать императивные ограничения этого вмешательства. Для биосферы в целом суть проблемы устойчивости состоит в определении допустимого соотношения антропогенно освоенных эксплуатируемых территорий и естественных экосистем, способных осуществлять функции стабилизации параметров ее относительного гомеостаза. ГЛАВА I. Реакция растений на химические загрязнения На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли сегодня подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из кото ыҳ не улучшает экологическую ситуацию на ҏ планете. Роль растений в формировании экосистем особо важна при химическом загрязнении окружающей среды. Повышенное содержание в почве и воздухе химических веществ, приводит к гибели растений, снижению фитомассы, прироста, продуктивности, формированию аномальных биоморф, сокращению сроков вегетации, изменениям количественного состава химических элементов растений, изменению видового состава, сокращению числа видов и др. Техногенные эмиссии оказывают влияние на величину накопления пластидных пигментов и их соотношение. У некоторых видов наблюдается тенденция к формированию в этих условиях ксероморфной структуры листа, которая характеризуется повышенным содержанием хлорофилла в ассимиляционном аппарате, у других, наоборот, мезоморфной с пониженным содержанием хлорофилла (Гетко, 1989). При повышенном содержании металлов и тяжелых металлов в почве и воздушном пространстве растения начинаю аккумулировать их в вегетативных и генеративных органах. Растения разных видов по-разному реагируют на увеличения токсических веществ. Однако с увеличением токсической нагрузки видовые различия в накоплении химических элементов в тканях большинства видов растений закономерно уменьшаются (Безель, Жуйкова, 2007). В условиях токсического действия загрязнителей в растительных организмах протекают приспособительные реакции. Эпифитные лишайники при постепенном увеличении токсической нагрузки реагируют не постепенным изменением своих параметров, а резким сокращением численности, в то время как другие группы лишайников реагируют по принципу «доза-эффект». Выявлены растения, поглощающие из окружающей среды сравнительно большие количества ксенобиотиков, например клен полевой, акация белая, груша кавказская дикая, орех грецкий, каштан обыкновенный, яблоня обыкновенная, сирень обыкновенная, ива, ольха бородатая, осина, ясень, сосна, туя и др. (Дурмишидзе С.В., 1978). В условиях промышленного загрязнения воздуха древесным листопадным видам присуще сокращение срока жизни листьев и ускорение цикла сезонного развития (Солярникова, З.Н., 1985). Растения в большинстве случаев снижают продуктивность. У древесных растений это может выражаться в снижении прироста (Илькун Г.М., 1971), уменьшении пыльцы, ухудшении ее свойств, а также в снижении плодоношения и качества семян (Кулагин Ю.З., 1974). Тормозятся ростовые процессы, значительно изменяется развитие растений: сдвигается цветение, сокращается вегетационный период, происходит преждевременный листопад, изменение других фенофаз. Так, загрязнение воздуха этиленом, ацетоном, метаном обуславливало у многих древесных растений смещение фенофаз, особенно в осенний период, и вызывало более раннее одревеснение побегов (Антипов, В.Г., 1970). Нефть отрицательно влияет на рост, метаболизм и развитие растений, существенно тормозит начало цветения и плодоношения. Растения, произрастающие в условиях загрязнения SO2 атмосферы, для осуществления фотосинтеза более требовательны к водообеспечению, т.е. на единицу продукции они расходуют больше воды. Постоянное присутствие в атмосфере промышленных регионов фитотоксичных примесей приводит к необходимости формирования у растений такой структуры листа, которая позволяет сохранить относительное равновесие фотосинтетического аппарата, в процессе адаптации участвуют многие параметры, однако ведущим звеном следует считать изменение фотоактивной поверхности, регулируемой либо числом хлоропластов, либо их размерами, а следовательно, и концентрацией пигментов в фотосинтетических мембранах. Понижение содержания зеленых пигментов в основном сопровождалось торможением биосинтеза и накоплением хлорофилла В. Изменяется и соотношение хлорофилла А к В. Под влиянием токсических газов листовая пластинка в большей или меньшей степени обезвоживается. Оводненность листьев растений, произрастающих в условиях высокой загрязненности воздуха, обычно на 10- 15 % ниже по сравнению с растениями, находящимися в чистой атмосфере. В условиях загрязнения атмосферы промышленными выбросами толерантность растений обеспечивают наряду с другими те особенности строения всех тканей листа, которые препятствуют проникновению и распространению в них газов, а именно ксероморфизм, проявляющийся в утолщении эпидермиса, усилении его кутикулой и восковым налетом, опушением, а также в плотном расположении внутренних тканей листа, ведущим к сокращению вентилируемости. На загрязненных участках диоксид серы, «давящий» на кроны особей с юго-западной стороны, как бы усиливает действие света, формируя тенденцию к уменьшению листовой пластинки с южной стороны кроны, т.е. к ксероморфности листа. Негативное влияние тяжелых металлов на растительный покров можно рассматривать как в плане их фитотоксичности, так и в плане миграции этих элементов на более высокие трофические уровни экосистем. Влияние основных тяжелых металлов на растения КОБАЛЬТ В биосфере кобальт преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения - концентраторы кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация кобальта - в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10-3 % кобальта, в счаниках 3·10 ᴨȇ -5 , в известняках 1·10-5 . Наиболее бедны кобальтом счаные почвы лесных районов. В поверхностных водах его мало, в ᴨȇ Мировом океане его лишь 5·10-8 %. Будучи слабым водным мигрантом, он легко реходит в осадки, адсорбируясь гидроокисями марганца, глинами и ᴨȇ другими высокодис рсными минералами. ᴨȇ Содержание кобальта в почвах определяет количество этого элемента в составе растений данной местности, а от этого зависит поступление кобальта в организм травоядных животных. Постоянно присутствуя в тканях растений, кобальт участвует в обменных процессах. В животном организме его содержание зависит от его уровня в кормовых растениях и почвах. Концентрация кобальта в растениях пастбищ и лугов в среднем составляет 2,2·10-5 -4,5·10-5 % на сухое вещество. Способность к накоплению этого элемента у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. В связи с высокой способностью к концентрации кобальта морские водоросли по его содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде его значительно меньше, чем в почвах. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других семейств. В микродозах кобальт является необходимым элементом для нормальной жизнедеятельности многих растений и животных. Вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными. Кобальт применяют в сельском хозяйстве как микроудобрения - удобрения, содержащие микроэлементы (В, Cu, Mn, Zn, Со и др.), т. е. вещества, потребляемые растениями в небольших количествах. Известкование почв снижает усвояемость растениями кобальта. Так же влияет избыток марганца и железа в почвах; наоборот, фосфор усиливает поступление кобальта в растения. Применение кобальтовых солей (сернокислого кобальта) в качестве удобрений, как оказалось, способствует ускорению созревания ячменя, повышает урожай семян красного клевера, увеличивает содержание жира в семенах льна. Под влиянием кобальта повышается урожайность сахарной свеклы. Внесение 300 г сернокислого кобальта на 1 га значительно повышает урожай винограда: вес ягод увеличивается на 35%, сахаристость - на 14%, кислотность снижается на 10%. М.Я. Школьник предлагает вносить кобальт в качестве удобрений в следующих дозах: внесение в почву еред посевом - 2-6 кг на 1 га; внесение в ᴨ междурядье в виде подкормки - 0,5 кг на 1 га; внекорневое питание -0,1- процентный раствор; намачивание семян - 0,1-процентный раствор. При внесении кобальтовых удобрений с самолета применяется измельченный сернокислый кобальт в дозе 1,415 кг на 1 га. Помимо чистых химических соединений кобальта, в качестве удобрений могут быть также использованы продукты реработки шлаков никелевого ᴨȇ производства и колчеданных огарков. МОЛИБДЕН Среднее содержание молибдена в почвах составляет 0,0003%, в изверженных породах - 0,000154%, в осадочных породах -0,00024%. Больше всего молибдена находится в болотистых почвах и в почвах тундр. Богатство почв органическими веществами обусловливает низкий окислительный потенциал среды. Наиболее растворимы в воде и доступны для растений соединения Мо6 в нейтральной и слабощелочной среде. На кислых почвах молибден мало досту н растениям, в связи с этим в таких условиях сказывается ᴨȇ положительно внесение молибденовых удобрений. Влияние молибдена зависит от многих факторов: на кислых почвах эффект молибдена зависит от содержания подвижного алюминия (чем больше алюминия, тем выше эффект молибдена). Между молибденом и марганцем наблюдается обратная зависимость--избыток марганца вызывает недостаток молибдена, и, наоборот, присутствие молибдена улучшает состояние растений (льна), болеющих на кислых почвах от избытка марганца. Антаго тическая зависимость ʜᴎϲ наблюдается также между молибденом и медью (молибден вытесняет медь). Молибден особенно важен для бобовых растений; он концентрируется в клубеньках бобовых, способствует их образованию и росту и стимулирует фиксацию клубеньковыми бактериями атмосферного азота. Входя в состав фермента нитраторедуктазы (являющейся по своему строению молибдофлавопротеином), молибден восстанавливает нитраты у высших и низших растений и стимулирует синтез белка в них. В связи с этим в условиях недостатка молибдена в растениях накапливаются нитраты, одновременно уменьшаются азотистая растворимая фракция и уровень азотистой белковой фракции. Молибден и марганец, по-видимому, катализируют отдельные реакции, каждая из кото ыҳ влияет на ҏ концентрацию аминокислот -- промежуточных продуктов белкового обмена. Молибден активирует реакцию, ведущую от нитратов к образованию аминокислот, тогда как марганец, по-видимому, активирует дальнейшие фазы превращения аминокислот в белки. Молибден оказывает положительное влияние не только на бобовые растения, но и на цветную капусту, томаты, сахарную свеклу, лен и др. Растениями- индикаторами недостатка молибдена могут быть томаты, кочанная капуста, шпинат, салат, лимоны. Молибден необходим не только для процесса синтеза белков в растениях, но и для синтеза витамина С и каротина, синтеза и редвижения углеводов, ᴨȇ использования фосфора. Болезни молибденовой недостаточности: - болезнь нитевидности цветной капусты. Выражается в уменьшении листовой пластинки. Поражает растения на кислых почвах: известкование может предотвратить появление болезни. Описана преимущественно в Австралии и Новой Зеландии. - желтая пят тость цитрусовых (рис.1). Выражается в появлении желтых ʜᴎϲ пятен на листьях, быстро опадающих. При этом значительно уменьшается количество плодов. Заболевание наблюдается во Флориде (США). Применяются различные способы внесения молибдена в качестве удобрения. Так, урожай и сахаристость сахарной свеклы увеличиваются при внесении в почву путем подкормки в междурядья на 0,5 кг с 1 га, при непосредственном внесении в почву-на 2,8 кг с 1 га. То же было установлено названным автором при изучении действия молибдена (молибденовокислого аммония) на урожай семян красного клевера. На неизвесткованной почве эффект молибдена значительно более выражен. Ввиду высокой стоимости молибденовых солей рекомендуют применение предпосевной обработки семян - 0,8 г/л. При этом методе потребность в молибденовых солях уменьшается в сотни раз. Для внекорневого питания потребность в молибдате аммония составляет 600 л 0,03--0,05-процентного раствора на 1 га. НИКЕЛЬ Содержание никеля в почвах составляет 0,004%, в природных поверхностных водах - 0,000 000 34%. В растениях в среднем содержится 0,00005% на живой вес (в зависимости от вида растения, местности, почвы, климата и др.). Растения в районе никелевых месторождений могут накоплять в себе значительные количества никеля. (С) Информация опубликована на ReferatWork.ru. При этом наблюдаются явления эндемического заболевания растений, например уродливые формы астр, что может быть биологическим и видовым индикатором в поисках никелевых месторождений. Морфологически измененные анемоны в обогащенных никелем биогеохимических провинциях концентрируют никель в 30-кратном размере; повышенное содержание никеля в почвенных растворах и в почвах Южного Урала, обогащенных ник
