Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
15.04.2016

Использование элементов научно-исследовательской деятельности при обучении дисциплинам экологического профиля

Гордеева Ирина Викторовна
кандидат биологических наук, доцент кафедры физики и химии, Уральский государственный экономический университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация
Аннотация: В данной статье рассматривается использование метода биоиндикации в научно-исследовательской деятельности студентов при изучении экологических дисциплин. Отмечается, что данный метод позволяет наглядно продемонстрировать последствия антропогенного воздействия на природные экосистемы.
Ключевые слова: антропогенное воздействие, биоидинкация, загрязнение окружающей среды, загрязняющий фактор, экосистема
Электронная версия
Скачать (593.6 Kb)

Современное постиндустриальное общество требует от своих граждан не только высокого уровня профессиональной подготовки, но и владения навыками критического и рационального мышления. По словам Н.Н. Моисеева, перспективы сохранения человеческой цивилизации заключаются в формировании рационального общества, без которого «человечеству не найти согласования Стратегии Природы и Стратегии Человека» [2, с.315]. Поскольку существование и дальнейшее развитие всех экономически благополучных государств невозможно без прогресса в научно-технической сфере, то образование для устойчивого развития логическим образом включает в себя и естественнонаучную подготовку [3]. Таким образом, при изучении дисциплин экологического профиля в высших и средних специальных учебных заведениях важно сочетать изложение теоретических основ соответствующих знаний с формированием навыков практической научно-исследовательской работы. Последнее предполагает использование экспериментальных методов, не только позволяющих непосредственно вовлечь учащихся в процесс оценки состояния окружающей среды, но и наглядно демонстрирующих последствия антропогенного воздействия на живые организмы и экосистемы в целом. Одним из доступных для освоения учащимися методов экологического мониторинга является биоиндикация. Под биоиндикацией в традиционном смысле подразумевают оценку качества природной среды по состоянию обитающих в ней живых организмов, часть или совокупность которых используются в качестве биоиндикаторов – «объектов, отражающих результаты антропогенного воздействия на экосистемы путем изменения своего состояния, численности и других показателей, которые могут быть количественно или качественно оценены» [1, с.118].

Исследования состояния экосистем с помощью методов биоиндикации далеко не всегда отличаются высокой точностью, так как реакции различных видов живых организмов на конкретный загрязняющий фактор существенно отличаются (например, хвойные деревья в целом более чувствительны к атмосферному загрязнению, чем лиственные). Кроме того, далеко не всегда легко идентифицировать конкретный загрязняющий фактор, вызывающий наблюдаемую реакцию живых организмов (высыхание и гибель деревьев могут быть спровоцированы как загрязнением атмосферы, так и состоянием почвы и грунтовых вод, а также размножением насекомых-вредителей или паразитических грибов), что порождает определенные сложности с интерпретацией достоверности сделанных заключений. В то же время биоиндикационные исследования незаменимы в тех случаях, когда оцениваемый загрязняющий фактор трудно поддается измерению (например, аккумулирующиеся в почве пестициды и тяжелые металлы), а также, когда фактор легко измеряется, но трудно интерпретируется, т.е. нельзя однозначно утверждать, что фиксируемые изменения в экосистеме имеют экологическую значимость [5].

Поскольку для лабораторных исследований в рамках занятий по экологии важен не столько количественный, сколько качественный анализ антропогенного воздействия (страдают живые организмы от конкретных изменений в окружающей среде или нет), то биоиндикационные методы в подобной ситуации могут быть очень полезны. Какие же конкретно виды живых организмов можно рекомендовать в качестве тест-объектов? А. Герхардт рекомендует при выборе надлежащего биоиндикатора руководствоваться следующими критериями:

1) выбирать по возможности эврибионтные виды, широко распространенные как в естественных, так и в антропогенно измененных условиях;

2) выбранный вид должен быть хорошо известным в той мере, чтобы быть идентифицированным и неспециалистами;

3) вид должен быть типичным представителем экологической системы, включенным в трофические цепи;

4) вид не должен быть безразличен по отношению к исследуемому фактору и кроме того обладать способностью аккумулировать поллютант в той мере, чтобы это можно было выявить и оценить количественно. В связи с этим желательно выбирать живые организмы с длительным сроком существования [4].

Если применить данные критерии выбора биоиндикаторов в качестве материала для лабораторных исследований на занятиях, то наиболее оптимальными можно считать толерантные к урбанизированным условиям виды деревьев – тополь черный Pоpulus nigra, береза повислая Betula pendula, липа европейская Tilia europaea, а также широко распространенный в городских агломерациях вид съедобных грибов – шампиньон двукольцевой Agaricus bitorquis. Все эти виды являются долгоживущими, устойчивыми к влиянию загрязняющих факторов, известными даже непрофессионалам и демонстрирующими специфические реакции на воздействие поллютантов, причем эти реакции не представляет сложности оценить как с качественной, так и с количественной стороны.

Рассмотрим несколько примеров исследований, осуществляемых студентами колледжа Уральского государственного экономического университета на занятиях в рамках предмета «Экологические основы природопользования». В осенний период учащимися собираются листья деревьев трех перечисленных выше видов из разных районов г. Екатеринбурга – парковой зоны, дворов и придорожной территории вдоль городских автострад. В дальнейшем происходит изучение состояния листовых пластин. Качественная оценка состояния среды осуществляется на основании анализа поверхности листа на предмет выявления разнообразных повреждений и пятен. Известно, что повышенная концентрация оксидов серы и азота в атмосфере вызывает появление характерных бурых пятен на листовых пластинах, что обусловлено некрозом тканей. Поскольку листья аккумулируют содержащиеся в воздухе загрязняющие компоненты на протяжении всего вегетационного периода, то некроз постепенно усиливается и достигает максимальных значений в период листопада. Сравнение листьев с побуревшими пластинами с аналогичными объектами из относительно экологически благополучных условий позволяет сделать выводы о степени загрязнения атмосферы и о влиянии последнего на живые организмы. Во время данных занятий учащиеся также узнают, почему не следует сжигать листву, опавшую с деревьев, в городских условиях, - в противном случае, все содержащиеся в листьях, игравших роль естественных фильтров, опасные соединения вновь окажутся в атмосфере.

Количественная оценка состояния среды осуществляется в результате определения коэффициента флуктуирующей асимметрии листьев. Флуктуирующая асимметрия представляет собой отличия параметров левой и правой половины листа, усиливающиеся в ситуации экологического неблагополучия. В норме длины жилок левой и правой половины листа практически совпадают, но в случае аномалий развития отличия по данному показателю могут быть существенными и статистически достоверными. Для оценки этих различий используют коэффициент асимметрии – отношение разности длины левой и правой жилок к их сумме. Для того чтобы сделать определенные выводы, необходимо определить данный коэффициент для статистически значимого количества объектов. Обычно в эксперименте фигурируют по 100 листьев с деревьев всех трех видов из трех контрастных по экологическому состоянию точек города. Исследования показывают, что наибольшие значения коэффициента асимметрии, соответствующие критическому состоянию экосистем, наблюдаются у листьев, взятых с деревьев, растущих вдоль автомобильных дорог. Таким образом, учащиеся убеждаются, что основным источником загрязнения атмосферы в городских условиях является транспорт.

Еще одним удобным для использования в качестве биоиндикатора объектом является широко распространенный в городских условиях шампиньон двукольцевой. Являясь многолетним живым организмом, данный гриб аккумулирует в мицелии соединения тяжелых металлов, таких как свинец, ртуть, кадмий и марганец, различными путями попадающих в почву. Для анализа используются преимущественно шляпки плодовых тел, содержащие большее количество тяжелых металлов, нежели остальная часть гриба. О наличии тяжелых металлов свидетельствуют качественные реакции с вытеснением свинца, кадмия и марганца ионами магния и кальция в растворах. Чем более темную окраску приобретает раствор с помещенными в него измельченными кусочками шампиньонов, тем большее содержание тяжелых металлов характерно для данных грибов. Для исследования также используются шампиньоны, собранные в городских парках и вдоль автомобильной дороги. В качестве контроля фигурирует вытяжка из культурных шампиньонов, выращенных в теплицах и продаваемых в продовольственных супермаркетах г. Екатеринбурга. Результаты исследований неизменно показывают, что в окультуренных грибах содержание тяжелых металлов минимально (хотя и отличается у разных производителей), в то время как в плодовых телах шампиньонов, растущих у дороги, концентрация данных элементов очень высока, что служит веским аргументом в пользу недопустимости употребления данных грибов в пищу.

Таким образом, использование относительно несложных в исполнении методов биоиндикации позволяет наглядно продемонстрировать эффект от антропогенного воздействия на природные экосистемы, в том числе и в долговременной перспективе. Наглядная демонстрация реального состояния даже относительно толерантных к загрязнению окружающей среды видов позволяет осознать подлинные масштабы деструктивной деятельности в процессе урбанизации и всерьез задуматься о последствиях данной деятельности организма самого человека.

Список литературы:

1. Балакирев И.В., Никишова А.С., Ильякова Е.Е., Липник С.И. Применение методов биоиндикации при экологическом мониторинге объектов добычи газа // Вести газовой науки, 2013.– №2(13).– С.118-121.

2. Моисеев Н.Н. Расставание с простотой.– М.: Аграф, 1998.–480 с.

3. Birdsall S. Reconstructing the relationship between science and education for sustainability: A proposed framework of learning // International Journal of Environmental & Science Education, 2013.–V.8.– P.451-478.

4. Gerhardt A. Bioindicator species and their use in biomonitoring //Environmental monitoring, 2011.–V.1.– P.56-65.

5. Han Yong-Gu, Kwon Oh., Youngho Cho. A study of bioindicator selection for long-term ecological monitoring//Ecology and environment, 2015.–N.38.–P.119-122.