V003406 Дипломная работа Изменение физиологических показателей рябины обыкновенной в условиях загрязнения атмосферного воздуха

Содержание

Введение 3

1.1. Источники загрязнения атмосферного воздуха 5

1.2. Влияние загрязняющих веществ на физиологические показатели растений 10

1.3. Роль аскорбиновой кислоты в жизнедеятельности растений 12

1.4. Каротин 15

1.4.1. Роль каротина в живых организмах 18

2. Объект и методы исследования 20

2.1. Объект исследования 20

2.2. Методы исследования 23

2.2.1. Расчет выбросов оксида углерода, углеводородов, оксидов азота и серы, сажи в атмосферу автотранспортными средствами 24

2.2.2. Определение содержания аскорбиновой кислоты в листьях 26

2.2.3. Определение содержания аскорбиновой кислоты в плодах 28

2.2.4. Определение содержания каротина в плодах 30

3. Результаты и их обсуждение 33

3.1. Количество автотранспорта и загрязняющих веществ в атмосферном воздухе 33

3.2. Содержание аскорбиновой кислоты в листьях  рябины обыкновенной 36

3.4. Содержание каротина в плодах рябины обыкновенной 39

ВЫВОДЫ 42

Введение

Проблема загрязнения атмосферного воздуха в последнее время является наиболее актуальной. В крупных городах уровень и динамика антропогенного влияния превышают критические значения в определенные периоды времени, причиной чему являются выбросы промышленных предприятий и автотранспорта (Миляев, 20ранспорта00).

Интенсивное развитие транспорта и промышленности требует решения важнейшей проблемы человечества – охраны окружающей среды. Одним из основных источников загрязнения окружающей природной среды является автомобильный транспорт. Автомобильный транспорт, поглощая кислород, интенсивно выбрасывает в воздушную среду токсичные компоненты, которые наносят вред всему живому (Графкина, 2013). Рост численности автомобильного парка и объема транспортных услуг приводит к увеличению негативного воздействия автотранспорта на окружающую среду (Новиков, 2005).

Растения эволюционно не приспособлены к столь интенсивному загрязнению окружающей среды. Загрязняющие вещества, нарушая физиологические процессы растений, оказывают непрямое отрицательное воздействие (Мифтахова, 2002).

Целью данной работы являлось: изучить изменение физиологических показателей  рябины обыкновенной в условиях загрязнения атмосферного воздуха на территории г. Йошкар-Олы.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Рассчитать выбросы оксида углерода, оксидов азота, пыли и сернистого ангидрида, поступающих в атмосферу автотранспортными средствами в выбранных районах города.

2. Исследовать содержание аскорбиновой кислоты в листьях и плодах рябины обыкновенной в зависимости от районов произрастания.

3. Оценить содержание каротина в плодах рябины обыкновенной в зависимости от районов исследования.

1. Обзор литературы

1.1. Источники загрязнения атмосферного воздуха

Жизнь на Земле возможна до тех пор, пока существует земная атмосфера - газовая оболочка, состоящая в естественном состоянии из азота (объемная доля 78 %), кислорода (21 %) и других газов (1 %) (Крепша, 2006). Кроме того, в соϲҭав аҭᴍосферы входят углекислый газ, озон, аргон, водород, гелий и ʜекоторые другие газы, а также водяной пар (Воскресенская и др., 2005). Соотношение количества кислорода и углекислого газа в атмосфере является чрезвычайно важным фактором условий существования жизни на Земле. Современная атмосфера и ее состав – продукт живого вещества биосферы. Живое вещество способствовало превращению ее из углекисло-метановой в азотно-кислородную (Крепша, 2006).

Общая масса атмосферы Земли равна 5,3 х 1015 т (по разным оценкам 5,15—5,9 х 1015), причем 90% сосредоточено в околоземном слое толщиной около 16 км  (Николайкин и др., 2004). Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. В состав атмосферы в основном входят: N2 (78 %); O2 (21 %); CO2 (0,03 %) (Лебедева, 2002). Атмосфера является средой распространения микроорганизмов, семян, плодов, а также местообитанием многих насекомых, птиц и млекопитающих (Николайкин и др., 2004). По особенностям строения аҭᴍосферу делят на 4 сферы: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (Воскресенская и др., 2005).

Атмосферный воздух загрязняется из-за привнесения в него или образования в нем вредных веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровень естественного содержания (Новиков, 2005).

Paзличaют естественные пpимеси, oбyслoвленные пpиpoдными процессами и антропогенные, возникающие в результате хозяйственной деятельнoсти челoвечествa. Toт уровень загрязнения атмосферы, котopый сoздaется пpимесями oт пpиpoдныx источников называется фоновым, oн oбычнo имеет малые отклонения от средне-многолетнего значения (Денисов, 2009).

К естественным источникам загрязнений относятся пыльные бури, вулканические извержения, газовые выделения из гейзеров и геотермальных источников, прижизненные выделения в атмосферу растений, животных микроорганизмов.

Источники загрязнения атмосферного воздуха вредными веществами – транспортный и теплоэнергетический комплексы, промышленные предприятия цветной и черной металлургии, предприятия нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, машиностроения, стройиндустрии, пищевой промышленности, газовой промышленности, а также жилищно-коммунальное хозяйство, утечки их хранилищ, трубопроводов (Калыгин, 2004., Хомич, 2002).

Зaгpязнения антропогенного происхождения отличаются мнoгoобpaзием видов пpимесей и мнoгoчисленнoстью истoчников их выброса. Пpи этом, нaиболее yстoйчивые зoны с повышенными концентрациями зaгpязнений, возникают в местах активной жизнедеятельности человека (Денисов, 2009).

Загрязнители атмосферного воздуха.

Атмосферные загрязнители подразделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом их превращений (Калыгин, 2004).

Огромное число вредных веществ находится в воздухе, которым мы дышим. Из всего количества глобальных антропогенных выбросов в атмосферу (не менее 98 %) приходится на углекислый газ и пары воды. Обычно их не относят к загрязнителям. Уровень выброса углекислого газа в атмосферу 5–7 млрд тонн в год.

По физическому состоянию загрязнители атмосферы делят на твердые (пыль, дымы), жидкие (туманы), газообразные (газы, пары) и комбинированные. От общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ газы  составляют около 90% (Калыгин, 2004).

Наиболее распространенные, «многотоннажные» (около 10 млн тонн) загрязнители сравнительно немногочисленны. Это: твердые частицы (пыль, дым, сажа); окись углерода (СО); диоксид серы (SО2); окислы азота (NO и NO2); различные летучие углеводороды (СНх); сероводород (Н2S); аммиак (NН3); хлор (СI) и другие.

Выбросы в атмосферу пяти групп веществ из этого перечня, измеряемые десятками миллионов тонн и выбрасываемые в воздушную среду России и всего мира, представлены в литературе и ежегодных отчетах региональных комитетов по экологии и охране окружающей среды (Крепша, 2001).

Одним из наиболее распространенных токсичных промышленных загрязнителей является сернистый газ. Сернистый газ выделяется в атмосферу при сгорании органического топлива (уголь, нефть, газ, бензин) за счет разложения содержащих серу белков. Мощным источником выделения сернистого газа в городах является автотранспорт (Воскресенская и др., 2005).

Оксиды азота - предшественники азотной кислоты - попадают в атмосферу в составе дыма газовых котлов тепловых электростанций, выхлопов двигателей внутреннего сгорания (Чиркова, 2002).

Постоянное поступление в атмосферу больших количеств оксидов серы, азота и хлористого водорода приводит к заметному снижению рН атмосферных осадков и выпадению кислотных дождей, рН которых вместо нормальных 5,6-5,7 снижается до 3,2-3,7, а в ряде отдельных случаев до 2,0-2,5. Это приводит к деградации хвойных лесов, изменению водных экосистем, увеличивает вымывание почвенных катионов (Воскресенская и др., 2005).

Окись углерода малотоксична для растений, но считается, что зеленые насаждения не способны очищать от нее атмосферу (Николайкин и др, 2003).  Удвоение концентрации CO2 в атмосфере влияет на древесные растения за счет снижения обмена веществ, через устьичный аппарат и усиления фотосинтеза (Павлов, 2003).

Автотранспорт – основной загрязнитель атмосферного воздуха.  Доля выбросов со стороны автомобильного транспорта растет пропорционально увеличению числа автомобилей. Ухудшение экологической обстановки приводит к увеличению числа легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, общему состоянию здоровья людей, деградации растительного мира и уменьшению срока службы различных материалов  (Миляев, 2000).

Выбросы загрязняющих атмосферу веществ, образующиеся в результате сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания автотранспорта, относятся к химическому загрязнению атмосферы. Многочисленные исследования показывают, что наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, особенно быстром. Относительная доля углеводородов и оксида углерода от общей массы выбросов наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота – при разгоне. В условиях города двигатель автомобиля работает 30% времени на холостом ходу, 30-40% – с постоянной нагрузкой, 20-25% – в режиме разгона и 10-15% – в режиме торможения. При этом на холостом ходу автомобиль выбрасывает 5-7% оксида углерода к объему всего выхлопа, а в процессе движения с постоянной нагрузкой – только 1,0-2,5% (Алябышева и др., 2010). Удельное количество и качественный состав выбрасываемых загрязняющих веществ зависит от категории автотранспорта (легковые и грузовые автомобили, автобусы), рабочего объема и типа двигателя внутреннего сгорания, а также структуры и режима движения автотранспортного потока (Касимов, 2004). Автомобильные двигатели внутреннего сгорания загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемые с отработанными газами  и топливными испарениями. При этом 95-99% вредных выбросов приходится на отработанные газы, представляющие собой аэрозоль сложного состава, зависящего от режима работы двигателя (Федорова и др., 2001). В состав отработанных газов (ОГ) входят в основном газообразные вещества и небольшое количество твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии. По характеру воздействия на организм человека вещества, составляющие ОГ, разделяются на нетоксичные и токсичные. К нетоксичным веществам относятся: азот, кислород, пары воды, оксид углерода (VI). К токсичным веществам - оксид углерода (II), углеводороды, оксиды азота, оксид серы (IV), альдегиды, бенз(а)пирен, сажа, свинец и др. Основной вклад в суммарную токсичность ОГ карбюраторных двигателей вносят оксид углерода (СО), оксиды азота, углеводороды, а дизельных – оксиды азота, углеводороды, оксид серы и сажа (Хомич, 2002).

Массовое содержание токсичных нормируемых компонентов в ОГ от автотранспорта при сжигании 1 т топлива приведено в таблице 1 (Хомич, 2002).

Таблица 1 - Массовое содержание токсичных нормируемых компонентов в ОГ от автотранспорта при сжигании 1 т топлива

Вредные вещества Формула Масса выбросов при сгорании 1 т топлива

 Бензин Дизельное топливо

 кг % кг %

Оксид углерода (II) СО 140 56,7 45 30,6

Углеводороды CxHy 80 32,4 55 37,4

Оксиды азота NOx 25 10,1 35 23,8

Оксид серы (IV) SO2 2 0,8 4 2,8

Бенз(а)пирен С24Н12 225∙10-5 9∙10-5 - -

Соединения свинца - 225∙10-3 5∙10-3 - -

Твердые частицы, сажа C - - 8 5,4

Всего, кг - 247 - 147

% по топливу - - 100 - 100,0

% по видам топлива - 100 - 59,5 -

Автомобиль загрязняет атмосферный воздух не только токсичными компонентами отработанных газов, парами топлива, но и продуктами износа шин, тормозных накладок (Новиков, 2005).

1.2. Влияние загрязняющих веществ на физиологические показатели растений

Загрязнение природной среды транспортными выбросами негативно влияет на состояние окружающей среды в целом. Одним из главных индикаторов загрязнения транспортных  выбросов на окружающую  среду является растительность, так как именно она, благодаря высокой чувствительности к антропогенному воздействию, первой принимает на себя воздействие техногенного пресса.

Газы, пыль, содержащие различные компоненты, легко проникают в ткани растения через устьица и могут непосредственно влиять на обмен веществ в  клетках, вступая в химические взаимодействия на уровне клеточных стенок и мембран (Воскресенская и др., 2005). Вредное прямое воздействие газов на растения проявляется непосредственно на листовом аппарате. Косвенное влияние газов на микрофлору, почвенный поглощающий комплекс, корни растений осуществляется через почву. Прямое действие ведет к ухудшению роста, ускорению старения, отмиранию отдельных органов, снижению урожая и его качества. Кислые газы нарушают водный режим растений, в результате снижается оводненность тканей, падает содержание связанной воды, изменяется транспирация; приводят к закислению цитоплазмы, изменению работы транспортных систем; повреждают мембраны хлоропластов, плазмалеммы и других клеточных структур. Вследствие повреждения мембран хлоропластов снижается интенсивность фотосинтеза, разрушаются хлорофилл а и каротиноиды, в меньшей степени хлорофилл в и ксантофиллы. Особенно ядовитым для фотосинтеза является сернистый газ, который лучше растворяется в воде, чем углекислота. Этот газ относят к фотосинтетическим ядам. На пигментную систему неблагоприятно действуют хлор, сернистый газ; аммиак уменьшает содержание каротина и ксантофилла, но мало влияет на хлорофиллы. Наиболее чувствительны к загрязнению воздуха ферменты фотосинтеза. Интенсивность дыхания вначале повышается, а затем, по мере усиления повреждения и отсутствия поставки субстратов, вследствие нарушения фотосинтеза, снижается. Инактивируется транспорт электронов и всех окислительно-восстановительных ферментов. Нарушается фосфорный обмен: содержание общего фосфора падает, а кислотонерастворимого повышается. Неблагоприятные сдвиги происходят во всем минеральном обмене (Чиркова, 2002).

Пылевые частицы забивают устьичный аппарат растений, приводят к ухудшению их жизненного состояния, что отражается в темпах роста и развития растений (Горчакова, 2013). Пыль, оседая на поверхности листьев, затрудняет поглощение света, нарушает водный обмен (Воскресенская и др., 2005). Степень отрицательного воздействия  пыли на растения зависит от ряда факторов, среди которых основными являются ее химический состав и растворимость в воде, скорость оседания пылевых частиц и продолжительность удерживания их на поверхности, возможность образования воздухонепроницаемых корок. Повышение температуры и  запыленность листьев в сочетании с водным дефицитом, является причиной подавления фотосинтетической активности и других физиологических функций растений.

Поступающие в лист фитотоксиканты неравномерно распределяются в пределах листовой пластинки и всего растения. Большинство из них транспортируется по ксилеме на верхушку или края листовой пластинки. Проникшие в цитоплазму токсические соединения сосредоточиваются в основном в вакуолях (Соловьева, 2003).

Основными загрязняющими веществами являются оксиды азота, серы, углерода, взвешенные вещества и другие. Они переносятся на значительные расстояния, взаимодействуют с водой и превращаются в растворы смеси сернистой, серной, азотистой, азотной и угольной кислот, которые выпадают в виде «кислотных дождей» на сушу, воздействуя на растения непосредственно и через почву.  Характер воздействия пыли на растения зависит от концентрации микроэлементов, которые оказывают  сильное действие на различные процессы, происходящие в растениях, включая фотосинтез и дыхание (Румянцева, 2001).

Сернистый ангидрид в воздухе постепенно окисляется до серного и растворяется в воде, образуя мельчайшие капельки серной кислоты, повреждающей листья (Романова, 2005).

В условиях недостатка углекислого газа, при водном дефиците и перегреве листовой пластинки, может проявляться полуденная депрессия фотосинтеза, приводящая к двум суточным максимумам кривой фотосинтетического газообмена (Гольд и др., 2008). Наиболее часто наблюдаемая реакция растений на повышение концентрации оксида углерода - уменьшение устьичной щели и, как следствие, уменьшение проводимости водяного пара (Романова, 2005).

Большинство растений обладают аккумулятивным эффектом, т.е. накапливают в своих органах токсические вещества, которые содержатся в воздушной среде. Попав внутрь листа, сернистый газ может включаться в общий метаболизм (образование содержащих серу белков), избыточное же количество сульфат-иона может превращаться в сульфаты (Воскресенская и др., 2005).

1.3. Роль аскорбиновой кислоты в жизнедеятельности растений

В процессе нормального функционирования, и особенно в условиях стресса, в растениях увеличивается содержание активных форм кислорода: супероксидного и гидроксильного радикалов, пероксида водорода и синглетного кислорода, которые могут приводить к преждевременному старению или даже гибели клеток (Чиркова, 2002).

Растения обладают достаточной устойчивостью к окислительным повреждениям, что обусловлено наличием эффективных антиоксидантных систем. Они представлены ферментативными антиоксидантами, такими как супероксиддисмутаза, каталаза, дегидроаскорбатредуктаза, глютатионтрансфераза, аскорбатпероксидаза, фосфолипидгидропероксидаза и другие. Набор неферментативных антиоксидантов достаточно велик и включает аскорбиновую кислоту (витамин С), глютатион, каротиноиды, антоцианы, токоферолы, убихиноны, флавоноиды, цистеин, метионин и многие другие соединения (Тодоров, 2003).

Аскорбиновая кислота (АК) физиологически активна, хорошо растворима в воде, легко разрушается в растворах щелочей, особенно в присутствии воздуха, света, следов железа и меди. При подкислении среды она хорошо сохраняется. Аскорбиновая кислота и ее дегидроформа образует окислительно-восстановительную систему, которая может как отдавать, так и принимать водородные атомы. Содержание витамина С является показателем восстановительной и общей физиологической активности растительных тканей (Бухарина и др., 2009).

 Аскорбиновая кислота в растениях образуется из углеводов и    находится в свободной и связанной форме.

Витамин С и глутатион - сильные восстановители и могут восстанавливать связи белков, а также функционируют как промежуточные переносчики водорода при окислении некоторых органических кислот в процессе дыхания (http://chem21.info/info/710335/). АК может участвовать в дыхательном процессе как непосредственный переносчик водорода и как ко-фактор, стимулирующий процесс (Чупахина, 1999).

В адаптивных реакциях участвуют различные вторичные метаболиты, в том числе низкомолекулярной природы, которые являются важными показателями благополучия произрастания растений. Одним из таких метаболитов является аскорбиновая кислота, количество которой изменяется в течении вегетации под действием техногенного стресса. Она принимает участие во многих процессах жизнедеятельности растений: рост, цветение, вегетативной и репродуктивной дифференциации, в водном обмене, регуляции ферментативной активности, стимуляции реакций метаболизма, связанных с обменом нуклеиновых веществ и синтезом белка, в защитных реакциях растений.

В растительных тканях могут присутствовать несколько ферментативных систем, окисляющих аскорбиновую кислоту, но во всех случаях окисление витамина С идет только до обратимо-окисленной формы, образовавшаяся дегидроаскорбиновая кислота оказывается нестойким соединением, способным подвергаться дальнейшим изменениям без каких-либо катализаторов даже и в анаэробных условиях. Присутствие восстановленной аскорбиновой кислоты в растениях, в которых имеются активные окислительные ферменты, показывает наличие в растениях систем, способных восстанавливать аскорбиновую кислоту (Чупахина, 1999).

Физиологическая роль аскорбиновой кислоты в растениях не ограничивается  регулированием восстановительно-окислительных процессов, но теснейшим образом связана и с процессом синтеза углеродной цепи.

В процессе фотосинтеза витамин С играет роль катализатора конденсации исходных групп СНОН в сахар. СНОН в процессе синтеза присоединяется к аскорбиновой кислоте по месту ее двойной связи - это присоединение идет одинаково энергично как в нейтральной, так и в кислой среде (http://chem21.info/info/710335/). Аскорбат способствует биосинтезу хлорофилла. АК в процессе фотосинтеза может проявляться или в биосинтезе фотосинтетического аппарата растительной клетки, или в его стабилизации, что будет способствовать повышению его фотохимической активности, а в конечном итоге - фотофосфорилированию (Чупахина, 1999).

Весьма важную роль аскорбиновая кислота играет  во внутриклеточном белковом обмене (http://chem21.info/info/710335/).

Также витамин С оказывает существенное влияние на водный режим растений. Под действием АК изменяется соотношение свободной и связанной воды за счет увеличения свободной. Механизм действия аскорбиновой кислоты  на поступление и потерю воды объясняют изменением коллоидно-химических свойств протоплазмы, и  деполяризацией протоплазменных мембран (Чупахина, 1999).