Лабораторный практикум по экологии


Н. А. Голубкина, Т. А. Лосева





                ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ




3-е издание, исправленное и дополненное

Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов учреждений среднего профессионального образования

МОСКВА

2014

УДК 574
ББК 20.1
     Г32







Рецензенты:
     Л. В. Беркетова — кандидат технических наук, доцент Московского университета пищевых производств;
     Бондарев В. П. — кандидат геолого-минералогических наук, доцент Московского государственного педагогического университета











      Голубкина Н. А., Лосева Т. А.
Г32 Лабораторный практикум по экологии / Н. А. Голубкина, Т. А. Лосева. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : ФОРУМ : инфра-м, 2014. — 64 с. : ил. — (Серия «Профессиональное образование»).

        ISBN 978-5-91134-885-4 (ФОРУМ)
        ISBN 978-5-16-009803-6 (ИНФРА-М)

        В учебном пособии представлены темы лабораторных работ по экологии для самого широкого круга учащихся — от школьников до студентов колледжей и институтов. Включенные в сборник химические методы анализа широко используются в настоящее время в центрах Санэпиднадзора России и за рубежом, а тематика лабораторных работ максимально приближена к наиболее актуальным проблемам современности.

УДК 574
ББК 20.1


ISBN 978-5-91134-885-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-009803-6 (ИНФРА-М)

                                     © Голубкина Н. А.,
    Лосева Т. А., 2003, 2008, 2014
© Издательство «ФОРУМ», 2003, 2008, 2014

            Предисловие





    Современная цивилизация характеризуется высокой численностью населения, огромным потреблением энергии, катастрофическим загрязнением окружающей среды, определяющими в целом глобальный экологический кризис, и информационным взрывом, отражающим высший уровень развития цивилизации через применение компьютеров и Интернета. Собственно само появление человека связано с гигантским скачком в системе информационных связей, выраженным переходом от генетической информации к доминированию надгенетической — культурной информации, передающейся через обучение.
    Проблемы обучения молодежи существовали всегда, и, несмотря на многочисленные реформы в области образования, вопрос эффективности усвоения все возрастающего количества информации остается открытым. Создание гимназий и специализированных школ не решает проблему информационного распределения. Наиболее явным результатом такой политики являются перегрузки, малая подвижность и ухудшение здоровья молодежи.
    Не секрет, что современная школа допускает у учащихся два состояния: присутствие знаний (например, об экологической вредности курения) и отсутствие знаний.
    Действительно, следует признать, что вызубренные знания после сдачи экзамена или зачета очень быстро забываются. Б ольшая часть получаемых знаний носит схоластический характер, так что учащийся в большинстве случаев не видит взаимосвязи между получаемой информацией и окружающей его жизнью. Примером тому может служить алгебра — дисциплина, практическое применение которой открывается учащемуся не в школе, а гораздо позже — в вузе. Не потому ли значительная часть школьников считают себя не пригодными к изучению математических наук? Вполне возможным представляется и другое объяснение: не видя практического применения знаний, последние остаются невостребованными.
    Процесс распределения информации в окружающем мире является, по существу, установлением взаимосвязи между изучаемым предметом и конкретными проявлениями жизни. Переход от иллюзорного мира схоластических знаний к установлению взаимосвязей с окружающим миром, то есть к активному процессу перераспреде

Предисловие

ления информации, следует считать неотъемлемой задачей любого обучения.
    Принцип информационного распределения не нов и является наиболее общим принципом натурфилософии и теории познания. По нашему мнению, его систематическое применение при обучении детей в школах, колледжах, вузах дает многообещающие результаты и служит, возможно, единственно правильным решением проблемы усвоения знаний. Согласно этому принципу познание следует осуществлять через путь научных исследований, которые, по-существу, и отражают процесс перераспределения информации. Отказ от зазубривания материала, развитие творческого подхода к получаемой информации не только на уровне старших курсов вузов, но и на низших ступенях: в техникумах, школах, гимназиях, школах юных натуралистов и экологических кружках создают предпосылки закладывания у молодежи глубоких знаний и практических навыков решения проблем. Личность, выполнившая собственное научное исследование и сделавшая свои выводы, как правило, не забывает их всю жизнь. Известный русский революционер, писатель и ученый П. А. Кропоткин писал, что каждый человек будущего будет иметь счастье и право на проведение собственных научных исследований.
    По нашему мнению, исследовательские работы учащихся должны постоянно сопутствовать освоению нового материала, а не только быть включены в качестве лабораторного практикума по изучаемой дисциплине. Важно донести до учащихся, что нет абсолютных истин и что в каждом предмете окружающего мира, будь то капля росы или даже мебель, стоящая в комнате, заключено множество удивительных и не всегда объяснимых фактов.
    Настоящий сборник предлагает серию научно-исследовательских работ по экологии для самого широкого круга учащихся — от школьников и гимназистов до студентов колледжей и институтов. Выполнение этих работ может осуществляться как отдельными личностями, так и небольшими группами учащихся по 3—5 человек и относительно большим коллективом в 20—30 человек. Уровень приборного обеспечения учебного заведения, как следует из данного издания, не является определяющим в выполнении учащимися серьезных по своим результатам экологических исследований. Включенные в сборник химические методы анализа широко используются в настоящее время в центрах Санэпиднадзора России и за рубежом, а принципы практического мониторинга окружающей среды являются основополагающими в экологии. Настоящий курс успешно прошел апробацию в Московском колледже управления и новых технологий в 2000—2013 годах, результаты работ были представлены на студенческих экологических конференциях колледжа. Часть результатов

Предисловие

5

опубликована в научных журналах, получен один патент, подготовлен отчет-рекомендация для правительства Москвы по нормализации экологического положения в Южном административном округе в районах станций метро «Красногвардейская» и «Домодедовская» и на детских спортивно-игровых площадках. ООО «Вивана» выпущены рекомендации по строительству детских спортивно-игровых площадок на основе результатов исследований студентов ФГОУ СПО МКУНТ. В 2013 г. исследования с участием студентов колледжа по оценке экологических рисков, связанных с отдаленными последствиями добычи фосфоритов в Воскресенском районе, завоевали второе место в конкурсе «Наше Подмосковье» губернатора Московской области. Результаты социологических исследований с участием студентов включены в книгу «Глобальный экологический кризис. Проблемы и решения» (авторы Голубкина Н. А., Пивоваров В. Ф., На-дежкин С. М., Лосева Т. А., Соколова А. Я.), вышедшую в 2013 г.
    В данном сборнике сделана попытка показать учащимся возможности научных исследований в самых разных областях экологии: экологического мониторинга загрязнения окружающей среды, агроэкологии, зрительной экологии, социоэкологии, санэкологии. Осуществление подобных научно-исследовательских работ учащимися позволяет получить практические навыки использования критериев экологического риска и важнейших экологических законов.
    Практикум также дает возможность освоить современные методы комплексонометрического (для определения жесткости воды) и визуального (при определении витамина С в продуктах) титрования, спектрофотометрического и турбидиметрического анализов (при исследовании загрязнения снегового покрова), работу на газоанализаторе «Элан», нитрат-тесторе СОЭКС, аналитических весах, познакомиться с основами статистической обработки результатов исследования.
    Предлагаемые темы практикума по желанию могут быть изменены.
    Так, тема «Оценка качества питьевой воды по показателю жесткости и установление степени риска ее использования» может быть изменена, например, на темы: а) «Изучение жесткости бутилированной питьевой воды»; б) «Исследование жесткости родниковой воды»; в) «Содержание ионов кальция и магния в ближайших водоемах или отстойниках».
    Тему «Мониторинг загрязнения окружающей среды квартала» можно заменить на такие темы, как «Оценка экологического состояния детских площадок», «Исследование загрязнения окружающей среды территорий, прилегающих к станциям метро», «Изучение экологического состояния парков, скверов» и т. п.

Предисловие

    Тему «Оценка качества фруктовых и овощных соков по показателю содержания витамина С» можно расширить и изучить содержание витамина С в наиболее часто используемых фруктах и овощах, установить различие в накоплении витамина С в мякоти и кожуре цитрусовых (пример известного в экологии «пограничного эффекта» в применении не к экосистеме, а к единичному организму).
    Тему «Изучение шумового загрязнения окружающей среды» при отсутствии шумомера можно заменить на «Изучение влияния поп-музыки на физиологическое состояние человека» (по изменению частоты пульса и артериального давления) или «Исследование влияния поп-музыки на рост и развитие растений» (по скорости прорастания семян).
    Исследования по социоэкологии могут включать такие темы, как «Социологическое обследование табачной эпидемии среди учащихся», «Исследование культурного уровня развития учащихся», «Изучение обеспеченности витаминами, белками, жирами и минеральными веществами студентов», «Экологическая подготовка студентов неэкологических специальностей» и т. д. В тематику практикума включены социологические исследования табачной эпидемии среди учащихся как важнейшие экологические исследования среди молодежи в связи с угрожающими размерами этой эпидемии в нашей стране.
    В рекомендациях приводится пример оформления результатов исследования, наиболее приближенный к правилам оформления научных статей. Это дает возможность познакомить студентов с основами написания курсовой и дипломной работ и, что наиболее важно, научиться делать самостоятельные выводы из получаемых результатов.
    Несомненно, тематика практикума может быть расширена. Авторы предлагают все замечания, пожелания, варианты задач для расширения тематики практикума присылать по адресу:
    E-mail: segolubkina@rambler.ru

            1. ЭКОЛОГИЯ ОРГАНИЗМА






Закон оптимума

   Согласно наиболее общему экологическому закону оптимума воздействие любого фактора окружающей среды на живой организм имеет свой оптимум, определяющий наилучшие условия развития организма. При этом в качестве фактора воздействия может выступать практически любой биотический или абиотический фактор, например, количество потребляемого кислорода, алкоголя, тяжелых металлов. Так, практика помещения недоношенных детей в кювес с чистым кислородом показала повышение риска развития у малышей нарушений работы мозга. Глубокий недостаток кислорода приводит к кислородному голоданию (гипоксии) и в конечном итоге к смерти. При избыточном потреблении спирта развивается белая горячка. В то же время статистика показывает, что люди, вообще никогда не принимающие никаких спиртных напитков имеют достоверно меньшую продолжительность жизни, чем люди, умеренно употребляющие алкоголь, особенно сухое вино. В отношении тяжелых металлов все чаще возникают дискуссии о необходимости замены применяемого сейчас показателя предельно допустимой концентрации (ПДК) значением нижнего и верхнего пределов, определяющих жизнеспособность организма. В самом деле, например, на горохе показано положительное действие на рост и развитие растений определенных концентраций свинца. Данная работа позволяет выявить зону оптимума воздействия солей тяжелых металлов на прорастание семян растений. Аналогичные исследования можно проводить с солями жизненно важных элементов для растений (азот, калий, фосфор: нитрат аммония, нитрат калия, фосфат калия), а также исследовать различия в оптимуме рН для прорастания семян различных растений.
   Цель работы: выявить закон оптимума при воздействии на прорастание семян ржи (пшеницы) разных концентраций солей тяжелых металлов (исследовать можно действие различных металлов: свинца, кадмия, цинка, меди, ртути, никеля и т. п.).

Экология организма


        Методика проведения работы

    Готовят растворы ацетата или нитрата свинца на водопроводной воде следующих концентраций: 1) 10⁻¹² М, 2) 10⁻¹⁰ М, 3) 10⁻⁸ М, 4) 10⁻⁶ М, 5) 10⁻⁴ М, 6) водопроводная вода (контроль). В 6 чашек Петри с внутренних сторон помещают вырезанные по размеру чашки листы фильтровальной бумаги, маркируют (1—6). Смачивают* верхнюю и нижнюю фильтровальную бумагу соответственно растворами 1—6 и помещают в каждую чашку по 50** семян ржи или пшеницы. Чашки плотно закрывают и оставляют на 4—7 дней при комнатной температуре***. На следующее занятие оценивают % проросших семян в каждой чашке. Строят графическую зависимость: концентрация соли свинца/кадмия — % проросших семян. Определяют по графику оптимальную концентрацию тяжелого металла.

Контрольные вопросы

   1. Что такое закон оптимума?
   2. Биологическое действие свинца, кадмия и других тяжелых металлов.
   3. Существует ли оптимальная концентрация свинца или кадмия для человека?


Эндогенные биоритмы

   Одно из фундаментальных свойств живой природы — это цикличность большинства происходящих в ней процессов. Живые организмы способны точно определять положение Солнца, приливы, фазы Луны, движение нашей планеты. Внутренние ритмы организма называют эндогенными, и они проявляются, например, как суточное (циркадное) движение листьев, распускание цветов, накопление хлорофилла в растениях, выброс гормона роста. Первые исследования циркадных биоритмов были


   * Семена не должны быть покрыты водой.

   ** По общепринятым методикам в таких экспериментах необходимо брать по 100 семян, однако, в условиях лабораторных работ по экологии в школах, техникумах и колледжах обсчитать такое количество семян студентам представляется трудным, поэтому общее количество можно уменьшить вдвое до 50 штук.

   *** Если семена прорастают значительно уже на 4ый день, то для сохранения образцов к следующему занятию их можно поместить в холодильник. Следует следить за тем, чтобы фильтровальная бумага не пересыхала.

Экология организма

9

проведены еще в 1728 году, когда было установлено, что движение листьев мимозы сохраняется в течение нескольких дней после помещении растений в темноту. Позднее было выявлено, что суточным ритмам подчиняются процессы удлинения стебля, открытия устьиц, величины клеточного мембранного потенциала, газообмена, биосинтеза хлорофилла. Современные исследования позволили доказать участие в циркадных биоритмах лабильных белков, биосинтез которых регулируется воздействием света. Были идентифицировали хромосомы, ответственные за подвижность листьев и цветков растений [17].

   Цель работы: определить циркадный (суточный) биоритм накопления нитратов в растениях в разные фазы Луны.

        Методика проведения работы

   Нужно заранее собрать и высушить (желательно при комнатной температуре) образцы листьев травянистых растений: многолетнего лука, рай-граса и т.п в новолуние и полнолуние (или в фазу убывающей и растущей Луны). Образцы следует собирать в течение дня с 6 утра до 12 ночи через каждые два часа. Для оценки содержания нитратов взвешивают около 3 г высушенных листьев, добавляют 3 мл дистиллированной воды, растирают в ступке до получения гомогенной смеси и определяют содержание нитратов с помощью нитрат-тестора СОЭКС. Количество нитратов в образце рассчитывают по формуле:
Концентрация NO₂ = (A х 3) : a (мг/кг сухой массы),
где А — показания прибора в мг/л; 3 — объем экстракта, мл; а — навеска, г.
   По результатам определения строят графическую зависимость (время суток — концентрация нитратов в растении). Устанавливают время, когда наблюдается максимальная концентрация нитратов, определяют различие в уровнях накопления нитратов между новолунием и полнолунием.

Контрольные вопросы

   1. Что такое циркадные биоритмы?
   2. Какие известны природные биоритмы, связанные с фазой луны?
   3. Практическое использование биоритмов цветения растений человеком.

            2. ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ






Антропогенное воздействие

Биологическое тестирование воды

   Оценить уровень загрязнения водоемов можно, использую тест на прорастание семян. Поскольку интенсивность прорастания будет определяться как наличием вредных примесей (тяжелые металлы и другие токсические вещества), так и содержанием нужных для растений веществ (азота, фосфора, калия), то такое тестирование можно считать предварительным для выявления особенно загрязненных водоемов с целью последующего химического анализа.

   Цель работы: выявить из серии природных водоемов наиболее загрязненные, непригодные для использования в сельском хозяйстве.

        Проведение работы

   Отбирают образцы воды из разнообразных водоемов исследуемой территории. В 6 чашек Петри с внутренних сторон помещают вырезанные по размеру чашки листы фильтровальной бумаги, маркируют. Смачивают верхнюю и нижнюю фильтровальную бумагу водой из соответствующих водоемов и помещают в каждую чашку от 30 до 50 семян ржи или пшеницы. Чашки плотно закрывают и оставляют на 4—7 дней при комнатной температуре*. На следующее занятие оценивают % проросших семян в каждой чашке.

Контрольные вопросы

   1. Какие элементы жизненно необходимы для развития растений?
   2. Какие элементы являются наиболее частыми загрязнителями воды?


*

     Особенности эксперимента по прорастанию семян см. пункт 1.1