Использование методов биотестирования для оценки антропогенного загрязнения почвы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«ТГСПА им. Д.И. Менделеева»

Кафедра экологии, естествознания и МПЕ

Курсовая работа

Использование методов биотестирования для оценки антропогенного загрязнения почвы

                                                            Выполнила: Студентка 3 курса

                                                                                  Специальность: «экология и 

                                                                                  природопользование»                  

                                                         Михайлова  А.И.

                                                            Проверила:  Сивцова  А.М.

Тобольск, 2011

Содержание

Введение

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Биотестирование как метод оценки качества окружающей среды

1.2 Биодиагностика загрязнения почвы

1.2.1 Причины и виды загрязнения почвы

1.2.2 Биологическая  диагностика почвы

1.2.3 Организация наблюдений за загрязнением почв

1.3 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Определение степени экологического загрязнения почвы г.Тобольска с помощью метода биотестирования на проростках огурцов

Заключение

Библиографический список

Приложение

Введение

Актуальность. В настоящее время возникла острая необходимость в изучении глобальных изменений, вызываемых накоплением в окружающей среде химических веществ, значительная часть которых является мутагенами и канцерогенами, эффект которых связан с поражением наследственных структур клеток всех микроорганизмов, растений, животных, включая человека[6].

Наряду с аналитическими методами контроля показателей экологической безопасности природных объектов начинают широко использоваться методы биологического тестирования, позволяющие оценить всю совокупность свойств исследуемой среды с позиции восприятия ее живыми тест - объектами, выступающими в роли биодатчиков [10]. Представляет интерес, в качестве метода определения загрязнителя использовать специальные растительные тест-системы, по изменениям которых можно судить о степени загрязнения окружающей среды. Вместе с тем, подобрать единый универсальный набор биотестов для всех случаев оценки степени загрязнения почвы достаточно сложно, так как в зависимости от химической природы загрязнителя реакция организмов может быть различна. Биотестирование почвенного покрова позволяет контролировать динамику накопления и разрушения токсических веществ. В конечном итоге это характеризует процессы самоочищения почвы. Биотестирование позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить наличие загрязнения там, где это не так очевидно, но, тем не менее, губительно для экосистемы и требует рекультивационных мероприятий. В связи с этим, важно подобрать тот тест-объект, ростовые показатели которого более чувствительны к загрязнению. Это и определяет актуальность исследования.

Объектом исследования является почва.

Предмет исследования – ростовые параметры тест – объектов (огурцы).

Цель работы – изучить степень экологического загрязнения почвы г. Тобольска с помощью метода биотестирования.

Гипотеза: если выращивать тест-объекты на почве, подверженной антропогенному загрязнению, то возможно изменение их роста и развития.

Задачи:

1.                  Изучить и проанализировать литературу

2.                  Выяснить методом биотестирования степень загрязнения почвы на проростках огурца.

3.                  Определить всхожесть семян и динамику роста длины главного корня, зоны боковых корней у проростков огурцов, выращенных на почве взятой рядом с проезжей частью

4.                  Сравнить ростовые показатели тест-объектов.

Методы исследования: биологический эксперимент, биологическое тестирование; наблюдение; сравнение и анализ результатов; статистическая обработка данных.

Теоретическая и практическая значимость: основные положения работы могут стать базовыми для дальнейших исследований в данном направлении.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Биотестирование как метод оценки качества окружающей среды

Традиционные оценки экологического состояния окружающей природной среды сводятся к измерению с помощью высокоинформативных физико-химических методов анализа содержания нефтепродуктов, тяжелых металлов, других токсичных веществ в поверхностных и грунтовых водах, почве, донных отложениях и сравнению полученных результатов с предельно допустимыми их концентрациями или исходным (фоновым) содержанием для аналогичных территорий, не испытывающий техногенную нагрузку [7].

Под биотестированием  обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают  изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Благодаря простоте, оперативности и доступности биотестирование получило широкое признание во всем мире и его все чаще используют наряду с методами аналитической химии [11].

Можно сказать что, биотестирование – это определение токсичности пробы для данной культуры организмов в лабораторном эксперименте. В основе биотестирования лежит такой метод научного познания, как биологическое моделирование. Всякая модель является в определенной мере специфической формой отражения действительности. При биотестировании происходит перенос знаний с простой системы на более сложную. При таком подходе важным является выбор тест - культуры и параметров изменения ее жизнедеятельности [4].

Существует 2 вида биотестирования: морфофизиологический и хемотаксический. Хемотаксический метод более точный, так как в нем используется специальный прибор, а морфофизиологический позволяет точно описать, что происходит с тест - объектами, например, в загрязненной воде.

При биотестировании для оценки токсичности химических веществ, природных и сточных вод, почв, донных отложений, кормов используют живые организмы, которые получили название тест- объекты.

В качестве тест-объектов наиболее часто используют семена кукурузы, огурца, сахарной свеклы, гороха, чечевицы, пшеницы, капусты, фасоли, проса, овса, репы, редиса, мака, салата, а также проростки. Для определения токсичности предпочтительнее мелкие семена с небольшим запасом питательных веществ. Обычно с этой целью в полевых или вегетационных условиях высевают семена растений-индикаторов, токсичный эффект определяют через 15-30 дней по снижению массы растений, высоты проростков, длины корневой системы по сравнению с контрольным вариантом.

Для проведения исследований острой токсичности природных сред разработано  новое поколение биотестов, которые содержат тест-организмы в анабиотическом состоянии (эфиппиумы дафний, покоящиеся яйца коловраток, яйца артемии, культуры водорослей), которые реализуются вместе со всеми необходимыми приспособлениями, посудой и средами культивирования.

Одним из условий для правильного проведения биотестирования является – использование генетически однородных лабораторных культур, т.к они проходят проверки чувствительности, содержатся в специальных, оговоренных стандартами лабораторных условиях, обеспечивающих необходимую сходимость и воспроизводимость результатов исследований, а также максимальную чувствительность к токсическим вещества [13].

Кроме выбора биотеста существенную роль играет выбор тест-реакции – того параметра организма, который измеряется при тестировании.

Наиболее информативны интегральные параметры, характеризующие общее состояние живой системы соответствующего уровня. Для отдельных организмов к интегральным параметрам обычно относят характеристики выживаемости, роста, плодовитости [5].

Тест-реакции, используемые в качеств показателей биотестирования для различных объектов:

                  для инфузорий, ракообразных, эмбриональных стадий моллюсков, рыб, насекомых – выживаемость (смертность) тест-организмов

                  для ракообразных, рыб, моллюсков – плодовитость, появление аномальных отклонений в раннем эмбриональном развитии организма, степень синхронности дробления яйцеклеток

                  для культур одноклеточных водорослей и инфузорий – гибель клеток, изменение численности клеток в культуре, коэффициент деления клеток, средняя скорость роста, суточный прирост культуры

                  для растений – энергия прорастания семян, длина первичного корня и др. [13].

                  Длительность биотестирования зависит от задачи, поставленной исследователем.

Острые биотесты, выполняемые на различных тест-объектах по показателям выживаемости, длятся от нескольких минут до 24-96 ч.

Краткосрочные хронические тесты длятся в течении 7 суток и заканчиваются, как правило, после получения первого покаления тест-объектов.

Для того чтобы быть пригодными для решения комплекса современных задач, методы биотестирования, используемые для оценки среды, должны соответствовать следующим требованиям:

- быть применимыми для оценки любых экологических изменений среды обитания живых организмов;

- характеризовать наиболее общие и важные параметры биоты;

- быть достаточно чувствительными для выявления даже начальных обратимых экологических изменений;

- быть адекватными для любого вида живых существ и любого типа воздействия;

- быть удобными не только для лабораторного моделирования, но также для исследования в природе;

- быть достаточно простыми и не слишком дорогостоящими для широкого использования [5].

Биотестирование используют до химического анализа, так как этот метод позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить «горячие точки», указывающие на наиболее загрязненные участки акватории. На участках, где методами биотестирования выявлены какие-либо отклонения, и исследуемая среда характеризуется как токсичная, аналитическим путем необходимо установить причины этого явления. По реакции тест-объектов можно обнаружить зоны экологического бедствия или источники загрязнения [4].

На наиболеее загрязненных акваториях (территориях) тест-объекты демонстрируют минимальную выживаемость (плодовитость) в тестируемых средах, на основании чего делается вывод об острой (хронической) токсичности тестируемой среды. Токсикометрические показатели, используемые в биотестировании, позволяют картировать загрязненные районы [3].

Как правило, биотестирование не дает ответа на вопрос о характере загрязняющего вещества, вызывающего ту или иную реакцию тест-объекта. Тест-функции носят общий неспецифический характер. Однако количество загрязняющих веществ, попадающих в окружающую среду, неуклонно возрастает и, не исключено, что какое-либо вещество, или смесь веществ, может привести к возникновению специфических реакций у тест-объектов, особенно на клеточном или тканевом уровнях организации [11].

При проведении биотестирования существенной проблемой является высокая внутривидовая вариабельность живых организмов, которая играет важную роль в межвидовых отношениях и выживаемости видов.

В идеале для этих целей необходимо использовать клонированных особей, имеющих генетически одинаковый потенциал реагирования на факторы окружающей среды. Однако, этот вопрос неразрешим. Тем не менее, существуют способы сведения разброса результатов опытов с живыми организмами к минимуму и, тем самым, повышения их достоверности и воспроизводимости.

1.                  Подопытные организмы должны быть визуально одинаковыми. При использовании семян растений необходима калибровка по массе и длине.

2.                  Необходимо уровнять для всех вариантов опыта внешние факторы, такие как освещенность, температура, влажность субстрата.

3.                  Число параллельных определений в каждом варианте должно быть достаточным для проведения дальнейшей статистической обработки полученных данных [9].

Несмотря на все минусы, методы биотестирования просты, относительно недороги, пригодны для широкого применения и дают возможность оценивать качества природной среды при  всем многообразии экологических изменений.

1.2 Биодиагностика загрязнения почвы

1.2.1 Причины и виды загрязнения почвы

   Известно большое число примеров прямых антропогенных, а также опосредованных человеком воздействий окружающей среды на почву, способствующих ее загрязнению. Будучи ча­стью всех наземных экосистем, почва активно участвует во многих важных процессах преобразования веществ. Когда про­исходит количественное изменение долгое время державшихся на одном уровне факторов окружающей среды или вступают в действие совершенно новые экологические факторы, влияющие на почву, могут возникнуть нагрузки, которые нанесут вред почвенным организмам или даже изменят систему ценотических взаимоотношений между ними.

Выделяют:

1. Широкомасштабное территориальное (глобальное) за­грязнение почвы, вызываемое совокупностью большого числа отдельных источников, не поддающихся более детальной иден­тификации.

2. Территориально ограниченное загрязнение, причиной ко­торого является в большинстве случаев более или менее известное небольшое число ограниченных по своему территориально­му влиянию источников.

3. Локальное узкоограниченное загрязнение почвы с крат­ко- или долговременным воздействием на отдельные организмы и экосистемы [1].

Загрязнение почвы проявляется в основном в двух формах: