Влияние тяжелых металлов на формирование проростка ячменя

Введение

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 в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию.

В современном мире техногенное загрязнение стало одним из наиболее значимых экологических факторов, определяющих новые условия существования и эволюции всей биоты, включая человека. Процессы естественного развития экосистем и изменения в их функционировании под влиянием антропогенных воздействий во многом определяются не только силой воздействия или временными характеристиками, но и, в первую очередь, природой действующих факторов. Активное отношение растительного организма к воздействию неблагоприятных факторов проявляется в его адаптивных возможностях. Несмотря на то, что растения способны приспосабливаться к химическим стрессорам, большинство видов растений весьма чувствительны к избытку микроэлементов. Однако установить токсические концентрации для конкретного растения в естественных условиях его произрастания весьма сложно. Видимые симптомы токсичности могут проявиться уже в том случае, когда в растениях происходят необратимые физиолого-биохимические изменения. И самое главное, что касается культурных видов растений, ткани этих растений могут накопить такое количество токсического элемента, которое будет опасно для здоровья человека, потребляющего эту растительную продукцию. Большинство химических элементов необходимы для нормальной жизнедеятельности растений поэтому, говоря об устойчивости растений к тяжелым металлам, имеются в виду их токсические концентрации в субстрате. Существует два источника поступления тяжелых металлов в окружающую среду: природный и техногенный. Из природных - наибольшее значение имеют выветривание горных пород и минералов, эрозия почв, вулканическая деятельность, высокие естественные уровни содержания тяжелых металлов в почвообразующих породах. Основными техногенными источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду являются выбросы промышленных предприятий черной и цветной металлургии, металлообрабатывающей, горнодобывающей промышленности, тепловой энергетики, а также автомобильный транспорт. В связи с этим возникает необходимость выявлять новые методы контроля, которые будут быстро реагировать на изменяющиеся условия. Решением этого вопроса стало принятие биологического мониторинга, дающего интегральную оценку последствий для представителей живой природы действия комплекса загрязняющих окружающую среду веществ и качества среды обитания человека. Биологический контроль окружающей среды включает две основные группы методов биоиндикацию и биотестироание. Возможность использования живых организмов, как индикаторных видов, которые в силу своих генетических, физиологических, аналитических и поведенческих особенностей способны существовать в узком интервале определенного фактора в среде. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы.

Целью данной работы является определение влияния концентрации тяжелых металлов, на примере хрома, кобальта, свинца и никеля и их соединений, на процесс формирования проростков ячменя, являющихся тест-объектами.

Актуальность работы состоит в том, что методы, которыми мы пользовались, позволяют проводить экспресс оценку наличия загрязнителей в окружающей среде, они более просты и дешевы по сравнению с физико-химическими методами определения и соответственно более доступны.

Для достижения цели данной работы были поставлены следующие задачи:

- исследовать влияние соединений  хрома, кобальта, свинца и никеля  в концентрациях кратных предельно  допустимой концентрации в почве  на параметры тест-объекта;

- оценить возможность применения  в качестве потенциального тест-объекта  проростков ячменя.

Для достижения этих задач на основе сходных методик используемых при биологических исследованиях была разработана и апробирована методика исследования влияния содержания тяжелых металлов на параметры тест-объектов растительного происхождения.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Мониторинг состояния окружающей среды

В условиях ускоренного научно-технического развития и бурного роста промышленного производства охрана окружающей среды стала одной из важнейших проблем современности, решение которой неразрывно связано с охраной здоровья нынешнего и будущего поколений людей. Это вызвано тем, что по мере развития производительных сил общества, роста масштабов использования природных ресурсов происходит все большее загрязнение окружающей среды отходами производства, ухудшается качество среды обитания человека и других живых организмов.

На современном этапе забота о сохранении природы заключается не только в разработке и соблюдении законодательств об охране окружающей природной среды, но и в познании закономерностей причинно-следственных связей между различными видами человеческой деятельности и изменениями, происходящими в природной среде.

Поскольку любые изменения в окружающей среде являются следствием изменения направленности протекающих в ней физико-химических и биологических процессов, познание закономерностей природных процессов и управление уровнем воздействия на них со стороны человека служит одной из приоритетных задач [1].

Одна из особенностей экологической ситуации на сегодняшний день заключается в том, что изменения в окружающей среде опережают темпы развития методов контроля и прогнозирования ее состояния. Поэтому необходим качественно новый подход к описанию состояния окружающей среды как динамической системы. В качестве которого могут выступить мониторинговые исследования [2].

Термин “мониторинг” появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 г. Под мониторингом было решено понимать систему непрерывного наблюдения, измерения и оценки состояния окружающей среды. По мнению российского исследователя-географа И.П. Герасимова объектом общего мониторинга “является многокомпонентная совокупность природных явлений, подверженная многообразным естественным динамическим изменениям и испытывающая разнообразные воздействия и преобразования ее человеком”.

Мониторинг окружающей среды - комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить изменения их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности

В процессе мониторинга предполагается последовательная реализация двух задач:

- обеспечивается постоянная оценка "комфортности" условий среды  обитания человека и биологических  объектов (растений, животных, микроорганизмов), а также оценка состояния и  функциональной целостности экосистем;

- создаются условия для определения  корректирующих действий в тех  случаях, когда целевые показатели  критериев оценки качества среды  не достигаются.По своему структурно-функциональному  составу мониторинг окружающей  среды объединяет в себе все  необходимые компоненты: приборно-аппаратное  обеспечение, систему организации  измерений и совокупность методик  анализа результатов наблюдений, необходимые для реализации функций, представленных в таблице 1.

Таблица 1. Функции мониторинга состояния окружающей среды

Мониторинг охватывает весь широкий спектр анализа наблюдений за меняющейся абиотической составляющей биосферы и ответной реакцией экосистем на эти изменения, включая как геофизические, так и биологические аспекты, что определяет широкий спектр методов и приемов исследований, используемых при его осуществлении. В литературе, в качестве его синонима, часто встречается оборот “экологический мониторинг”, где под термином “экология” понимается не конкретное научное направление, почти 140 лет тому назад очерченное Эрнстом Геккелем, а “энвайронментология” (от англ. environmentology; или биосферология), как теоретическая основа рационального природопользования.

Поскольку сообщества живых организмов замыкают на себя все процессы, протекающие в экосистеме, ключевым компонентом мониторинга окружающей среды (рис. 1) - является мониторинг состояния биосферы или биологический мониторинг, под которым понимают систему наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биотических компонентах, вызванных факторами антропогенного происхождения и проявляемых на организменном, популяционном или экосистемном уровнях.

Рисунок 1. Подсистемы экологического мониторинга

По определению В.С. Николаевского биологический мониторинг - определение состояния живых систем на всех уровнях организации и отклика их на загрязнение среды. То есть, это - система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биологических систем под влиянием антропогенных воздействий. По определению Н.Ф. Реймерса мониторинг биологический - слежение за биологическими объектами (наличием видов, их состоянием, появлением случайных интродуцентов и т.д.) и оценка качества окружающей среды с помощью биоиндикаторов. Таким образом, трактовка понятия “биомониторинг” весьма широка: от наблюдения за самими живыми организмами, до контроля за состоянием каких-либо факторов среды при помощи живых организмов. И в последнем определении мы впервые сталкиваемся с методом биоиндикации как способом решения задач биологического мониторинга [3].

1.2 Общие принципы биоиндикации

1.2.1 История возникновения биоиндикации

Использование живых организмов в качестве чувствительных к загрязнению окружающей среды уходит своими корнями в древние века. Первые наблюдения сделали еще античные ученые: именно они обратили внимание на связь облика растений с условиями их произрастания. Живший в 327 - 287 гг. до н. э. Теофраст написал широко известную работу «Природа растений», в которой содержится немало советов о том, как по характеру растительности судить о свойствах земель. Аналогичные сведения можно встретить в трудах римлян Катона и Плиния Старшего.

Идею биоиндикации с помощью растений сформулировал еще в I в. до н. э. Колумелла: «Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти». Это направление, ныне получившее название ландшафтной биоиндикации, успешно используется в практических целях [4].

В России в рукописях XV и XVI вв. уже упоминались такие понятия как «лес пашенный» и «лес непашенный», т. е. участки леса, пригодные для его сведения под пашню и непригодные. В трудах М.В. Ломоносова и А.Н. Радищева есть упоминания о растениях - указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод. В XIX в. с развитием экологии растений была показана связь растений с факторами окружающей среды. О возможности растительной биоиндикации писал геолог A.M. Карпинский. Другой геолог - П.А. Ососков - использовал характер распределения растительных сообществ для составления геологических карт, а почвовед С.К. Чаянов - почвенных карт. Большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый почвовед В.В. Докучаев. В начале XX 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 отсутствия того или иного явления (природного или антропогенного фактора среды), отмечая в терминах «есть» - «нет». К концу XX в. биоиндикационные закономерности претерпели качественный скачок [5].

На современном этапе наиболее важные задачи биоиндикации и биомониторинга состоят в разработке теоретических основ и методологии анализа реакции биологических систем на многофакторные воздействия с учетом дифференциальных отличий патогенных агентов, факторов риска, патотропных ситуаций и патологических явлений в зависимости от экологических условий и состояния организмов, популяций, ценозов и отдельных экосистем [6].

1.2.2 Понятие, формы и методы биоиндикации

Биондикация - это метод обнаружения и оценки воздействия абиотических и биотических факторов на живые организмы при помощи биологических систем [7].

В качестве биоиндикаторов выступают отдельные таксоны, экологические группировки (например, в водной среде - фитопланктон, зоопланктон, бентос, перифитон), физиологически сходные организмы (например, имеющие одинаковый тип питания), размерные группы. Отклонение индикаторной биотической характеристики от некоторой заданной нормы свидетельствует о превышении уровней допустимого воздействия абиотических факторов [8].

Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ [3].

Биоиндикация может проводиться на уровне макромолекул, клетки, организма, популяции, сообщества и экосистемы. Чувствительными биоиндикаторами могут служить как отдельные процессы в клетке и организме (изменение ферментативной активности, изменение в пигментном комплексе), так и морфологические изменения (изменения формы и размера листовой пластинки, уменьшение продолжительности жизни хвои) [9].

Формы биоиндикации.

Биоиндикация может быть специфической и неспецифическои. В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды (рис. 2). Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака серебристых некрозных пятен. Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период засухи и по другим причинам.

Рисунок 2. Формы биоиндикации

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно (рис. 3). В описанном выше случае серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.

Рисунок 3. Прямая и косвенная биоиндикация

При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других (абиотических или биотических) факторов среды. Например, применение одного из гербицидов (2,2 дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55 до 12 %) и, соответственно, увеличению разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация. Эти изменения растительного покрова ведут к падению численности саранчовых и росту численности тлей. Изменение в соотношении двух групп насекомых - пример косвенной биоиндикации применения гербицида.