Экология/6. Экологический мониторинг

 

Красногорская Н.Н.,1 Клеттер Е.А., 1 Байзигитова Р.Р., 1 Сулейманова Р.Р. 1

Журавлева С.Е. 2

1 Уфимский государственный авиационный технический университет, Российская Федерация

 2 Московский физико-технический институт, Российская Федерация

Изучение ответной реакции лишайников на внешние воздействия

 

 Для интегральной оценки качества воздуха наиболее применимым является метод лихеноиндикации, что связано с высокой чувствительностью лишайников, обусловленной их специфическим морфологическим строением и физиологическими свойствами.

Основным токсичным агентом для лишайников является сернистый ангидрид (SO2), источниками которого в условиях города являются ТЭЦ, электростанции, автотранспорт. Незаряженные молекулы диоксида серы проникают через мембраны, разрушают молекулы ферментов и пигментов (хлорофилла и каротиноидов), ассоциированные на мембранах.

Загрязняющие вещества атмосферы в первую очередь влияют на лишайники, изменяя процессы фотосинтеза и дыхания. Под воздействием поллютантов разрушаются клеточные структуры, изменяется ферментативная активность, снижается содержание хлорофиллов и каротиноидов [1]. Контроль содержания и соотношения хлорофиллов и каротиноидов служит перспективным, а также оперативным методом оценки состояния окружающей среды для ранней диагностики загрязнения атмосферного воздуха [2].

Исследовано отношение общего числа хлорофилла к общему числу каротиноидов в  талломах лишайника Parmelia sulcata, подвернутых влиянию SO2 и изменение индекса структуры от различной степени загрязненности воздуха диоксидом серы.

Производен анализ лишайников с фоновой территории – смешанный лес в Буздякском районе Республики Башкортостан, которые подвергались воздействию диоксида серы в диапазоне концентраций 0,05 – 0,50 мг/м3 в лабораторных условиях. Содержание хлорофиллов a и b и каротиноидов измерено спектрометрическим методом (λ=400 – 700 нм) в спиртовой вытяжке. Расчет концентраций производился по формулам:

                    [мг/г сухого веса]

                       [мг/г сухого веса]

                    [мг/г сухого веса]

 [мг/г сухого веса]

a/b = Ca/Cb

где:

Ca – концентрация хлорофилла а;

Cb – концентрация хлорофилла b;

Ca+b – суммарная концентрация хлорофилла а и b;

Cx+c – суммарная концентрация ксантофиллов и каротиноидов;

A664.2 – поглощение на 664.2 нм;

A648.6 – поглощение на 648.6 нм;

A470 – поглощение на 470 нм;

V – объем этанола (95%) (мл);

DW – сухой вес экстрагируемого таллома (мг).

 

Приведены результаты измерения хлорофиллов и каротиноидов, посчитаны отношения хлорофилла а к b и отношение общего числа хлорофилла к общему числу каротиноидов (таблица 1). Приведенные погрешности включают в себя погрешности методики эксперимента и дисперсию.

 

Таблица №1. Содержание пигментов в талломе лишайника Parmelia sulcata

№ образца лишайника*

1

2

3

4

5

Погрешность метода

Хл а (мг/г сухой массы)

0,558

1,295

1,151

1,054

1,234

±0,005

Хл b (мг/г сухой массы)

0,099

0,255

0,225

0,252

0,298

±0,005

x+c   (мг/г сухой массы)

0,178

0,398

0,355

0,310

0,360

±0,005

a/b

5,666

5,079

5,126

4,180

4,137

±0,1

(a+b)/(x+c)

3,686

3,898

3,873

4,210

4,252

±0,2

*Образец № 1 был помещен в эксикатор с нулевой концентрацией диоксида серы, образцы  № 2 и 3 были подвержены концентрации 0,25 мг/м3 , образцы №4 и 5 – концентрации 0,50 мг/м3.

Хл a - количество хлорофилла a;

Хл b  - количество хлорофилла b;

x+c – количество каротиноидов;

a/b – отношение количества хлорофилла a к хлорофиллу b;

(a+b)/(x+c) – и отношения общего числа хлорофилла к общему числу каротиноидов.

Исходя из полученных результатов, очевидно, что содержание каротиноидов в талломах лишайников коррелирует с антропогенной нагрузкой. Отношение общего числа хлорофиллов (a+b) к общему числу ксантофиллов и каротиноидов (х+с) ((a+b)/ (х+с)) у образцов, не подвергнутых воздействию диоксида серы, составило 3,686; у образцов подвергнутых воздействию концентрации диоксида серы 0,50 мг/м3 - 4,252. При увеличении антропогенной нагрузки (увеличении концентрации воздействия диоксида серы) происходит увеличение отношения общего числа хлорофиллов к общему числу ксантофиллов и каротиноидов. Это можно объяснить фотозащитной функцией каротиноидов [3]. Отношение хлорофилла а к b (a/b) у образцов, подверженных воздействию диоксида серы с концентрацией 0,50 мг/м3, составило 4,13;  у образцов, не подверженных воздействию диоксида серы  -  составило 5,66. Этот показатель, при увеличении антропогенной нагрузки имеет тенденцию к уменьшению.

Кроме того, был определен индекс структуры талломов лишайников (Истр) при воздействии на них различных концентраций диоксида серы. Морфологические изменения лишайников отражаются в изменении структуры талломов, а, следовательно, и в характеристике их заполнения, поэтому в качестве количественного определения индекса структуры используется фрактальная размерность [4]. Объёмные изображения талломов были получены на проекционном сканере ScanNex II, которые в дальнейшем обрабатывались с помощью программ Picture Publishing и Graphic Workshop 6.1. Расчет фрактальной размерности лишайников производился от центра кластера к периферии до фумигации и после.

Данные эксперимента по определению индекса структуры талломов лишайников в зависимости от степени загрязнения воздуха диоксидом серы приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Изменение Истр   талломов лишайников под действием SO2

Концентрация SO2,мг/м3

Истр1

Истр2

Δ Истр

0,05

1,476

1,521

0,045

0,25

1,598

1,678

0,08

0,55

1,519

1,689

0,17

0

1,500

1,508

0,008

 

Истр1 – соответствует средней фрактальной размерности лишайников в результате воздействия различных концентраций SO2 до фумигации, Истр2 – после фумигации, ∆Истр– изменение фрактальной размерности.

На рисунке 1 изображено изменение значения индекса структуры при воздействии на лишайник сернистым ангидридом (SO2) в течение двух недель.

 

Рисунок 1- Изменение Истр лишайников в зависимости от концентрации SO2

Выявлено, что после фумигации индекс структуры увеличился, в опыте с нулевой концентрацией остался неизменным. Значение изменения индекса структуры тем больше, чем больше концентрация SO2. Увеличение индекса структуры обусловлено особенностями изменения  структуры талломов данного вида – в условиях атмосферного загрязнения, разросшиеся овальные талломы Parmelia Sulcata, приобретают более компактную округлую форму с более мелкими лопастями, что и приводит к увеличению общей степени разветвлённости таллома и что объясняет увеличение значения Истр.

 Анализ данных полученных показателей показал возможность использования метода оценки механизмов отклика фотосинтетической системы лишайника на внешние воздействия для определения степени загрязнения окружающей среды.

Дальнейшее измерение содержания валовой серы в этих лишайниках даст возможность количественной оценки поглощения газа в течение времени его воздействия в данных концентрациях.

Литература:

1.                 Артамонов В.И. Растения и чистота природной среды / В.И. Артамонов. – М.: Наука, 1986.- 172 с.

2.                 Красногорская Н.Н., Легушс Э.Ф., Миннуллина Г.Р., Цвиленева Н.Ю., Байбаков Э.И. Лихеноиндикационные методы исследования качества атмосферного воздуха // Безопасность жизнедеятельности. – 2003. - №11.          С. 26-30.

3.                 Ладыгин В.Г., Ширшикова Г.Н. Современные предсталения о функциональной роли каротиноидов в хлоропластах эукариот // Журнал общей биологии. – 2006. – том 67, №3. – С.163-189.

4.                 Шапиро И.А. Физиолого-биохимические  изменения у лишайников под влиянием атмосферного загрязнения // Успехи современной  биологии. –1996. – т.116. – № 2, – с. 158-169.