close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
Научно-практическая конференция учащихся и педагогов
«Первые шаги в науку»
Тема: Изучение особенностей жизнедеятельности муравья серого
песчаного (Formica cinerea Mayr) в условиях загрязнения почвы
нефтепродуктами
Предметная область: Биология
Автор: Шевко Дарья Олеговна 11 класс
Научный руководитель: Шевко Оксана Анатольевна
Научный консультант: к.б.н., доцент, руководитель лаборатории
биоиндикации и биомониторинга БГУ Прокофьев Игорь Леонидович
МБОУ «Лицей № 27 им. Героя Советского Союза И.Е. Кустова»
г. Брянска
Брянск 2015
Введение
Актуальность темы. В современный период развития экономики
возрастает потребность в нефтепродуктах и увеличивается их добыча и
транспортировка. К сожалению, используемые технологии добычи и
транспортировки нефти и нефтепродуктов не позволяют избежать аварийных
разливов и загрязнения окружающей среды [7].
Природа не выработала механизмов противостояния нефтезагрязнению
В результате, загрязненные участки превращаются в техногенные пустыни на
многие годы.
Большинство используемых методов
рекультивации -
дорогостоящие и малоэффективные. Наиболее экологичными являются
биологические способы рекультивации нефтезагрязненных ландшафтов[6].
Поэтому, остро стоит проблема изучения природных процессов в условиях
загрязнения экосистемы нефтепродуктами.
Изучение
жизнедеятельности
муравьев
на
техногенно-
преобразованных ландшафтах позволяет лучше понять пути формирования и
функционирования экосистем на нефтезагрязненных песчаных и супесчаных
дерново-подзолистых почвах. Это дает научные предпосылки для разработки
методов стимулирования процессов самовосстановления загрязненных почв,
используя муравьев, как одну из доминирующих групп в большинстве
наземных биогеоценозов, чему, к сожалению, до настоящего времени не
уделялось достаточного внимания.
Цель и задачи исследования. Цель исследования – изучить биоэкологические особенности серых песчаных муравьев на нефтезагрязненных
песчаных и супесчаных дерново-подзолистых почвах.
Достижение цели осуществлялось решением следующих задач:
1. Выявление влияния нефтехимического загрязнения на физикохимические свойства песчаных почв.
2.
Изучение
особенностей
жизнедеятельности
муравьев
на
нефтезагрязненных песчаных почвах.
2
3.
Оценка
влияния
муравьев
на
физико-химические
свойства
нефтезагрязненных почв.
1. Обзор литературы (Постановка проблемы)
Общая протяженность магистральных трубопроводов в России
составляет более 200 000 км. Они пересекают все природно-климатические
зоны России, накрывают 35% ее территории. Беспрецедентна для мировой
практики концентрация трубопроводов в отдельных регионах. На территории
России функционирует более 1600 нефтебаз и хранилищ нефтепродуктов, а
также 30 нефтеперерабатывающих предприятий. А это неизбежно приводят к
аварийным ситуациям и химическому загрязнению почв.
Нефтепродукты, попадая в экосистему, подвергаются воздействию
физических и химических факторов окружающей среды и уничтожают
практически
все
живое,
вызывая
полную
деградацию
экосистем,
приуроченных к месту скопления нефти [2].
Все исследователи отмечают, что деградация нефти и нефтепродуктов
происходит крайне медленно и очень медленно идет естественное
восстановление исходной растительности [8]. Многими исследователями
выявлена чёткая прямая связь между степенью загрязнения и всхожестью
травянистых растений: даже при слабой степени загрязнения почвы нефтью
всхожесть большинства злаковых (сем. Poaceae) падает более чем на 68% [3].
Отмечается, что нефтепродукты оказывают влияние на почвенные
экосистемы локально, в зависимости от уровня загрязнения, времени
рекультивации, увлажненности почв и многих других факторов. Отмечается
резкое падение разнообразия, численности и биомассы почвообитающих
животных, деградация структуры сообществ беспозвоночных животных. Это
зависит не только от химического загрязнения, но и механического
воздействия: нефтепродукты обволакивают тело беспозвоночных, закрывают
дыхальца, нарушают доступ воздуха. В наиболее интенсивных зонах
нефтезагрязнения почти полностью исчезают беспозвоночные животные, а
птицы и млекопитающие обычно её избегают [4].
3
Общепринятыми методами очистки нефтезагрязненных почв является
использование: поверхностно-активных веществ, интродуцированных в
почву микроорганизмов или активация нативной углеводородокисляющей
микрофлоры почв. Наиболее экологичными
являются
биологические
способы рекультивации нефтезагрязненных ландшафтов, разработанные на
основе знаний об естественных сукцессионных процессах на загрязненных
территориях. [1]
Литературный
обзор
показывает,
что
проблема
рекультивации
нефтезагрязненных земель далека от решения. Возможно, до сих пор нет
целостного представления о механизмах повреждающего действия нефти на
свойства почвы, и не рассматривается на должном уровне возможность
ускорения
процесса
представителей
реабилитации
исходных
таких
территорий
биогеоценозов,
например,
возможностями
почвенными
животными. Так роль беспозвоночных, особенно муравьев, в биодеградации
нефти на нефтезагрязненных участках до сих пор недостаточно изучена .
2. Методы исследования
Наши исследования проходили в летние сезоны двух лет с 2013 по
2014 гг. В этот период мы обследовали территорию вокруг нефтеналивной
станции ООО «Русснефть-Брянск» в районе железнодорожной станции
«Брянск-Восточной» в Фокинском районе города Брянска. Визуальное
обследование показало, что территория вокруг нефтеналивного терминала
ежегодно подвергается загрязнению нефтепродуктами. На прилегающей
территории были выявлены микро-пятна с разной давностью загрязнения.
В 2014 г. мы изучали различные группы почвенных беспозвоночных.
При этом использовались общепринятые методам почвенно-зоологических
исследований [4]. Затем мы выбрали, как основной объект наших
исследований, муравьев F. cinerea Mayr, как наименее изученный вид, о чем
свидетельствует и литературный обзор.
В ходе исследований было собрано около 1000 экземпляров муравьев
для
определения
видовой
принадлежности.
Собранный
материал
4
определялся по «Определителю насекомых европейской части СССР» (т.3,
ч.1, 1978), а также проверялся по зоологическим коллекциям лаборатории
биоиндикации и биомониторинга БГУ.
На исследуемых территориях был произведен учёт имеющихся гнёзд
(секций) серых песчаных муравьёв методом пробных площадей [5].
Учитывая рекомендации И.Л.Прокофьева, были заложены пробные площади
размером 20х20м. Предварительно, на каждой изучаемой территории
закладывалось несколько пробных площадей, на которых учитывались все
гнёзда (секции). Так как изучаемые площади делятся на несколько зон по
уровню загрязнения почв нефтепродуктами, производилась зональная
выборка. Для этого визуально были выделены такие зоны по цвету песчаного
грунта. Затем, в каждой зоне, для подтверждения правильности выборки
таких зон, брались пробы почв по ГОСТ 17.4.4.02 и ГОСТ 17.4.3.01.
Содержание нефтепродуктов в почве определяли сотрудники лаборатории
биоиндикации и биомониторинга БГУ ИК-спектрофотометрическим методом
на
анализаторе
нефтепродуктов
АН-2.
Для
классификации
нефтезагрязненных земель мы использовали «Методические рекомендации
по выявлению деградированных и загрязненных земель». В соответствии с
этим документом, мы выделили зоны со слабым (1000-2000 мг/кг почвы),
средним (2000-3000 мг/кг почвы), сильным (3000-5000 мг/кг почвы) и очень
сильным (более 5000 мг/кг почвы) загрязнением. В качестве контрольных
были взяты близкорасположенные участки, вне загрязненной территории.
На пробных площадях производился пересчёт всех имеющихся секций
муравьёв. Среднее количество гнёзд для каждой зоны пересчитывалось на 25
м2. Обработка данных производилась по общепринятой методике[5]. Для
определения средней численности населения 1 секции на каждой пробной
площади была произведена раскопка не менее 15 секций. Мы использовали
наземные кратеры и отверстия ходов гнездовых секций в качестве учётных
единиц для учёта плотности поселений.
5
Учеты суточной и сезонной активности муравьев проводились весной,
летом и осенью 2013 и 2014 гг. Их фуражировочная активность изучалась
путем непосредственных наблюдений и учетов на тропах, отходящих от
гнезд, по методике Г.М. Длусского [5]. Трехминутные учеты проводились в
течение светлой части суток (обычно с 7 часов утра до 21 часа), ежемесячно
за
каждый
световой
день
выполнялось
9-10
сеансов
наблюдений.
Параллельно измерялась температура и относительная влажность воздуха.
3.
Результаты исследования и их обсуждение
В ходе наших исследований было установлено, что серые песчаные
муравьи в условиях нефтехимического загрязнения поселяются только на
песчаных и супесчаных дерново-подзолистых почвах с концентрацией
нефтепродуктов в почве не выше 3000 мг/кг.
На контрольных пробных
площадях и в условиях нефтезагрязнения муравьи образуют гнёзда, которые,
по классификации А.А. Захарова, можно определить как секционные. Они
состоят
из
камер
и
вертикальных
ходов.
Каждое
гнездо
имеет
самостоятельный выход на поверхность почвы. Через него муравьи
осуществляют вынос отбросов и частиц почвы, которые образуют вокруг
такого выхода вал или гнездовой кратер (Приложение 1. Рис. 1.). Гнёзда
объединяются системой поверхностных камер и галерей, по которым
осуществляется внутренний гнездовой обмен.
В процессе наших исследований мы выявили наземные тропы, которые
были редки для муравьёв, обитающих на незагрязнённых почвах, а на
загрязнённых участках они наблюдались часто. Это связано с тем, что
пробные площади обладают микрорельефом, что обуславливает мозаичность
распределения пятен нефтезагрязнения. Как правило, муравьи используют их
при пересечении участков с сильным и очень сильным загрязнением, для
посещения
молодых
деревьев
сосны
обыкновенной.
Эти
тропы
прямолинейны и представляют собой кратчайший путь от гнезда к дереву.
При схожести общего плана строения секционных гнёзд серых
песчаных муравьёв на чистых и загрязненных территориях имеются отличия
6
в глубине главного входа. В условиях нефтехимического загрязнения
выявлена значимая отрицательная связь (r=-0,74; P<0,05) глубины главного
хода гнезда муравьев с уровнем загрязнения почвы нефтепродуктами. На
контрольных участках глубина главного хода гнезда достигает 60 см, на
загрязнённых территориях его глубина уменьшается (22-33 см). Это связано с
тем,
что
наиболее
токсичные
лёгкие
фракции
нефтепродуктов,
с
температурой кипения менее 300 градусов по Цельсию, способны проникать
в нижние глубокие слои песчаных почв и там консервироваться. Глубина
главного хода гнёзд муравьёв отражает адаптацию к загрязнению почвы.
Нами были выделены гнезда 3-х категорий. Гнезда I категории состоят
из нескольких секций, содержащих несколько самок, около 2500 рабочих и
от 500-700 личинок. Гнезда имели по одному стволу глубиной до 60 см.
Гнезда II категории образованы одной секцией, которая населена только
рабочими муравьями (500-600 особей), глубина ствола составляла до 40 см.
Гнезда
III категории представляют собой норки в основании дернин
осоковых трав глубиной не более 10 см. В каждом таком гнезде находилось
не
более
120
рабочих
муравьев
и
колония
корневых
тлей.
На
нефтезагрязненных участках были выявлены все три категории гнезд.
Однако, их соотношение различно, в зависимости от уровня загрязнения. С
увеличением загрязнения увеличивается доля гнезд III категории и
значительно уменьшается доля гнезд III категории. Что связанно с
особенностями загрязненных почв.
Серые песчаные муравьи образуют летние и зимние гнёзда. Зимние
гнёзда, как правило, располагаются у ствола деревьев сосны обыкновенной.
Летние гнёзда служат только в период активности и располагаются по ходу
подземных обменных троп и галерей. Зимние гнёзда на незагрязнённых
территориях более глубокие и достигают глубины 60 см. Глубина зимних
гнёзд на территориях с малым загрязнением составляет 30-40 см. Со средним
загрязнением – не превышают глубины 30 см. На загрязненных участках
зимние гнёзда располагаются преимущественно под подушкообразной
7
структурой, состоящей из корней сосны обыкновенной, песчаной почвы,
ходов
и
камер
муравьёв.
Эта
структура
служит
дополнительной
теплоизоляцией, которая предотвращает промерзание почвы на небольшой
глубине.
Существует значимая связь между плотностью гнезд и уровнем
нефтехимического загрязнения (r=-0,63; P<0,05) (Приложение 2. Рис. 2).
Наибольшее среднее число гнезд на площадке было отмечено на
контрольных площадях, где оно не превышало 46 гнезд на 25 м 2, со средней
численностью 1812 особей в гнезде. На участках с уровнем загрязнения 20003000 мг/кг средняя плотность гнезд составляет 34 гнезд/25м2 со средней
численностью семьи 1147 особей. На участках с сильным и очень сильным
загрязнением гнезд муравьев обнаружено не было.
В
ходе
исследований
мы
установили,
нефтепродуктов в песчаных и супесчаных почвах
уровень)
что
концентрация
3000 мг/кг (средний
является пороговой для серых песчаных муравьев. Высокий и
очень высокий уровни загрязнения почвы резко отрицательно влияют на
муравьев этого вида. Это можно объяснить специфическим воздействием
загрязнителя на насекомых. Нефтепродукты обволакивают тельце муравья и
закрывают воздухоносные пути и повышение концентрации нефтепродуктов
оказывает токсичное действие на организм муравьев.
В результате анализа суточной активности муравьёв была установлена
значимая связь интенсивности фуражировочной активности муравьев с
температурой и влажностью воздуха (r=0,74; P<0,05). Отличий в суточной
активности муравьев на всех пробных площадях с разным уровнем
нефтехимического загрязнения не установлено.
Загрязнение почвы нефтепродуктами, как показали наши исследования,
оказывает влияние на сезонную динамику фуражировочной активности
муравьев. На загрязненных почвах их деятельность начинается весной, в
среднем, на 1,3 недели раньше, а заканчивается осенью, на 1,7 недели позже,
чем на контроле (Р<0,01). Это объясняется тем, что почва со средним
8
уровнем загрязнения, благодаря темной окраске, достоверно, на 4-5 градусов,
прогревается больше, чем почва на других пробных площадях, где обитают
муравьи. Эти участки раньше других освобождаются весной от снега и
прогреваются солнцем.
Анализ карт фуражировочных территорий муравьёв выявил, что их
границы зависят от мозаичности распределения пятен загрязнения почв
нефтепродуктами.
Выводы:
1. Под воздействием нефтяного загрязнения происходит уплотнение,
ухудшение
водного
и
воздушного
режимов.
Это
препятствует
восстановлению фитоценозов на загрязненных участках.
2. Плотность, распределение и структура гнезд серых песчаных муравьев
существенно отличаются, в зависимости от уровня загрязнения почвы
нефтепродуктами.
3. Адаптация муравьев к загрязнению почвы проявляется в уменьшении
глубины главного хода гнезд.
4. На песчаных почвах с концентрацией нефтепродуктов 2000-3000 мг/кг
выявлена
подушкообразная
структура,
которая
представляет
собой
совокупность ходов муравьев, корней сосны обыкновенной и песчаной
почвы.
Это
своего
рода
адаптация
муравьев
к
нефтехимическому
загрязнению почвы.
5. При возрастании концентрации загрязнителя в почве численность
муравьев сокращается. Концентрация нефтепродуктов в почве 3000 мг/кг
является предельной для муравьев.
6. Нефтехимическое загрязнение почвы не оказывает влияния на
суточную активности серого песчаного муравья. Однако оно увеличивает, в
среднем на три недели, период сезонной активности насекомых.
Практическое значение. Полученные результаты исследований могут
быть
использованы
для
разработки
методов
ускорения
процессов
самовосстановления растительности на бедных нефтезагрязненных песчаных
9
и
супесчаных
дерново-подзолистых
почвах.
Путем
ранневесеннего
переселения муравьев на загрязненные территории можно стимулировать
процессы естественного распада нефтепродуктов и самовосстановления
загрязненных фитоценозов.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Аренс В.Ж., Гридин О.М., Яншин А.Л. Нефтяные загрязнения: как решить
проблему // Экология и промышленность России. - М., 1999. - Вып. 9. - С. 33.
2.
Бузмаков С. А., Ладыгин И. В. К влиянию нефтепромыслов на
растительный и животный мир Камского Предуралья // Геоэкол. аспекты
хозяйствования, здоровья и отдыха / Тез. докл. на межгос. науч. конф, Пермь,
май. 1994 г. – Пермь, 1994. – Ч. 1. - С. 201-205.
3.
Гайнутдинов М. З., Храмов И. Т., Гилязов М. Ю. К вопросу рекультивации
земель, нарушенных нефтяной промышленностью // Рекультивация земель
СССР / Тез. Всесоюз. науч.-техн. конф. - М., 1982. - Т. 2, № 7. - С. 111-116.
4.
Гиляров М.С., Стриганова Б.Р. Количественные методы в почвенной
зоологии. - М.: Наука, 1987. - 287 с.
5.
Длусский Г.М. Методы количественного учета почвообитающих муравьев
// Журн. общей биол. - 1965. - №26. – Т. 4. - С. 479-489.
6.
Киреева Н.А. Использование биогумуса для ускорения деструкции нефти в
почве // Биотехнология. - 1995. - № 5-6. - С. 58-62.
7.
Пиковский Ю.И. Природные и техногенные потоки углеводородов в
окружающей среде. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 207с.
8.
Солнцева
Н.П.,
Садов
А.П.
Закономерности
миграции
нефти
и
нефтепродуктов в почвах лесотундровых ландшафтов Западной Сибири //
Почвоведение. -1998. - №8. - С. 996-1007.
10
Приложение 1
Рис. 1. Гнездовой кратер вокруг выхода из гнезда F. cinerea Mayr
11
Численность муравьев, % от контроля
Приложение 2
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Концентрация нефтепродуктов в почве, мг/кг
Рис. 2. Влияние загрязнения почвы нефтепродуктами на
численность муравьев Formica cinerea Mayr
12
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа