Лихеноиндикация загрязнения атмосферного воздуха

Лихеноиндикация загрязнения атмосферного
воздуха выхлопными газами автотранспорта.
(Мониторинг «свинцового» неблагополучия)
Прогрессирующая урбанизация и техногенное загрязнение окружающей среды являются двумя
характерными чертами современного мира, которые определяют состояние биосферы и ее компонентов как
регионально, так и глобально[1].
Отрицательное воздействие человечества на природу очевидно. Приземные слои атмосферы
промышленных городов загрязнены не только окислами азота, серы, хлороводородом, пылью, но и катионами
тяжелых металлов. Источником такого загрязнения являются как различные предприятия, так и автодороги,
поскольку выхлопные газы автомобилей содержат много свинца. Большинство сортов бензина содержат 0,41-0,82
г/л тетраэтилсвинца[ 2]. При сжигании 1 л бензина в воздух попадает 20-40 мг свинца, а в течение года один
автомобиль выбрасывает около 1 кг этого металла, который адсорбируется верхними слоями почвы и
растениями[3 ]. Результаты анализа Гор.СЭС проб почвы в различных участках города Павлодара
свидетельствуют о значительном превышении содержания катионов свинца (анализ рисунка 1) Кроме того,
проведенное в рамках комплексной программы «Профилактика» компьютерное картографирование атмосферы (и
почвы) Павлодара, дает объективную картину поражения большой территории города катионами этого тяжелого
металла (приложение 1).
Содержание катионов свинца в
почве г.Павлодара
Корнтроль
Дачный
150
сад "Яблонька"
сад"Иртыш"
100
сад "Здоровье"
м
г/кг
ул.Сатпаева
ДК ЖД
50
ул.Кутузова
ЖД Вокзал
0
1
районы города
Приложение 1. Содержание катионов свинца в почве города Павлодара
Однако, результаты компьютерного моделирования и данные гор. СЭС получены сложными
инструментальными методами, которые требуют большого количества дорогостоящей аппаратуры и связаны с
высокими экономическими затратами[ 4].
В связи с этим, в последнее время одной из центральных проблем анализа и оценки состояния окружающей
среды является подбор растений - индикаторов. Растения способны накапливать загрязняющие вещества и,
прежде всего, катионы тяжелых металлов, поглощенные ими из воздуха и атмосферных осадков.
Наибольшей металлоаккумулирующей способностью обладают лишайники[ 5]. При фоновой
концентрации тяжелых металлов в атмосфере, средняя концентрация каждого из них в низших растениях больше,
чем в наземных частях высших растений (анализ таблицы 1).
Таблица 1. Средняя концентрация тяжелых металлов в растениях при фоновой концентрации
металлов в воздухе ( мкг/г сухой массы).
Вид
растения
Сосудистые
растения
Лишайники
свинец
цинк
медь
железо
хром
никель
ртуть
кадмий
титан
ванадий
марганец
1,5
32
6,2
140
0,2
3
0,02
0,45
1
1,6
630
14
102
8,5
1000
1,84
4
0,15
0,85
20
5,5
240
Это связано с возможностью пассивной абсорбции катионов и захватом взвешенных частиц всей
поверхностью талломов лишайников. Так, например, в придорожных экосистемах в эпифитном лишайнике рода
Pseudoрarmelia свинца содержится около 2000 мкг/г сухой массы, в листьях же деревьев и травах его содержание
не превышает 200 мкг/г сухой массы[ 6]. Быстрая аккумуляция токсичных веществ вызывает отчетливые анатомоморфологические изменения в талломах, которые легко определяются. Таким образом, содержание тяжелых
металлов в лишайниках более адекватно отражает распределение этих элементов в различных точках приземного
слоя атмосферы, чем содержание этих же элементов в сосудистых растениях. Кроме того, растения – индикаторы
не должны быть слишком чувствительными и слишком инертными к загрязнению. Необходимо, чтобы они имели
достаточно продолжительный жизненный цикл и малую способность к авторегуляции. Важно, чтобы такие
растения были широко распространены, причем каждый вид должен быть приурочен к определенному месту
обитания. Лишайники удовлетворяют всем этим требованиям.
Большинство лихеноиндикационных работ проведены с помощью эпифитных лишайников как наиболее
чувствительных к изменению состава атмосферы[ 7]. Вместе с тем, их «поведение» определяется
индивидуальными морфологическими и физиологическими особенностями конкретных видов. Усиление ответной
реакции на накопление тяжелых металлов в талломах связно с изменением рН субстрата водной среды,
ориентацией на стволе дерева в соответствии с доминирующим направлением ветра, увеличением влажности
воздуха.
До настоящего времени в Казахстане проводились работы только по изучению и описанию видового состава
лихеносинузий. Исследования, связанные с использованием лишайников в качестве индикаторов загрязнения
атмосферы катионами свинца, не осуществлялись. Поэтому в своей работе мы опирались на достижения в этой
области эстонских, российских, польских лихенологов: Инсарова, Блюма, Мартина, Нильсона, Шапиро и
других[8]. (Анализ работ показал, что авторы уделяли особое внимание поиску отдельных тест-видов лишайников,
особенно остро реагирующих на загрязнение катионами свинца, но обработка результатов проводилась сложными
дорогостоящими инструментальными методами).
Основной целью наших исследований явилось изучение влияния выхлопных газов автотранспорта,
содержащих большое количество катионов свинца, на лишайниковые синузии города и трансплантанты.
Гипотеза. Выхлопные газы автотранспорта отрицательно влияют на состояние лихенофлоры города
Палодара. Анализ анатомо-морфологических изменений в слоевищах отдельных видов придорожных
лишайников позволит использовать их в качестве тест-объектов для выявления уровня загрязнения атмосферы
катионами свинца. Хроматографическое определение катионов свинца в талломах лишайников является
доступным, достоверным экономически выгодным, химически несложным методом мониторинга.
В своей работе мы поставили следующие задачи:
 Осуществить инвентаризацию видового состава лишайниковой флоры г. Павлодара и его
окрестностей;
 На основе анализа лишайниковых синузий составить лихеноиндикационную карту города;
 Провести трансплантацию эпифитных лишайников родов Physcia и Parmelia из «чистых» мест
обитания в придорожные экосистемы города.
 Установить наиболее чувствительный к содержанию катионов свинца вид лишайников
Павлодарского Прииртышья для использования его в целях мониторинга.
 Предложить наиболее экономичный, доступный, объективный и достоверный метод анализа
содержания катионов тяжелых металлов в талломе лишайников.
Для решения поставленных задач нами использовались следующие методы:

Составление геоботанических описаний лишайниковых синузий с учетом жизненности, покрытия,
диаметра слоевищ и размеров талломов;
 Составление лихеноиндикационной карты города;
 Трансплантация отдельных видов лишайников;
 Измерение рН коры субстратов;
 Вольтамперометрический анализ слоевищ
 Хроматографическое определение катионов свинца в талломах лишайников. Phiscia и Parmelia
Данное исследование является продолжением проекта «Лихеноиндикация города Павлодара», начатого
нами в 1997 году.
Результаты исследования
В пределах города Павлодара и его окрестностях было обследовано 2025 деревьев 10 пород в скверах,
парках, лесонасаждениях, дачах, на кладбищах и улицах. Обнаружены 5 видов эпифитных лишайников из 4 родов,
что составляет 5,3% от всех 93 видов эпифитных лишайников, отмеченных на территории Казахстана. По
сравнению с 1997 годом произошло резкое уменьшение многообразия видов этих растений (анализ рисунка 1).
Изменение числа видов лишайников за период с
1997 по 2001
8
6
4
2
0
1997
2001
Общее число
видов
Из них
накипных
Их них
листовых
Рисунок 2 Изменение числа видов лишайников за период 1997-2001 г.г.
Уменьшение состава лихенофлоры произошло как за счет листоватых, так и за счет накипных талломов
лишайников. Так, из двух видов Phiscia был обнаружен только один. Совершенно не обнаружены представители
родов Candelarilla, Gasparinia, Xanthoria, найденные в 1997 году. Кроме того, обнаруженные на деревьях
лишайники занимали меньшую площадь проективного покрытия, имели низкую жизненность и малый диаметр
слоевищ (анализ рисунка 2).
Измененние среднего суммарного покрытия
(%) деревьев лишайниками
0,9%
1997
2001
6,72%
Рисунок 3. Изменение среднего суммарного покрытия ( в % )деревьев
лишайниками за период 1997 – 2001 г.г.
Измененние диаметра
слоевища (см.)
0,325
1997
2001
1,066
Рисунок 4. Изменение диаметра слоевищ (в см) Phiscia aipolia
за период 1997 – 2001 г.г.
Изменение фертильности
талломов (%)
2001; 11
1997
2001
1997; 76
Если в 1997 году можно было встретить отдельные виды лишайников (Xanthoria,, Phiscia) в
лесонасаждениях вдоль автомагистралей ( Гор. Зеленстрой. Гор.сад, парк Победы), то в настоящее время они не
обнаружены. Таким образом, исследуя квадраты, расположенные на прямой, проходящей через центр города в
направлении северо-запад – юго-восток, мы наблюдали качественные и количественные изменения в составе
лихенофлоры по сравнению с 1997 годом: уменьшение видов лишайников, процентного покрытия на стволах,
размеров талломов, фертильности, отсутствие ранее встречаемых видов в лесонасаждениях и парках,
расположенных в непосредственной близости от автомагистралей. Эту тенденцию можно объяснить
непосредственным влиянием Павлодарского алюминиевого завода, ТЭЦ, увеличением числа единиц личного и
государственного автотранспорта за 5 лет ( анализ таблицы 4, 5). Вместе с тем, как считает консультант нашего
проекта, кандидат географических наук, ведущий инженер географического факультета МГУ им. М.В.
Ломоносова, Прасолова А.И., обеднение лихенофлоры возможно связано с закономерным процессом
самоочищения практически любого компонента природной среды, когда происходит территориальное
перераспределение поллютантов и, таким образом, ореол сильного загрязнения, расширяясь, «размывается» по
площади.
Изменение числа единиц автотранспорта
50000
40000
30000
20000
10000
0
1997
2001
Рисунок 5. Изменение числа единиц автотранспорта за период 1997 – 2001 г.г.
Динамика выбросов загрязняющих
веществ в атмосферу (тыс.тонн) за
период с1997 по 2001 г.г.
600
500
400
300
200
520
514
446
461
411
2001
1998
1999
2000
2001
100
0
Рисунок 6. Динамика изменения выбросов в атмосферу (тыс. тонн) за период с 1997 – 2001 г.г.
Если в 1997 году, составляя лихеноиндикационную карту города, удалось выделить 3 зоны загрязнения
(сильного, умеренного, относительно чистую), то результаты настоящего исследования позволяют обозначить
только две: Зону умеренного загрязнения и зону сильного загрязнения.
Зона сильного загрязнения. Большая часть города и его окрестностей . Зона составляет 90% исследуемой
территории. Лишайников нет («лишайниковая пустыня») или единично встречаются угнетенные виды Phiscia
aipolia, Сaloplaca aurantiaca с разрушенным слоевищем, с темно-серой, грязноватой окраской. Среднее суммарное
покрытие деревьев лишайниками – 0,2%. Органы плодоношения отсутствуют, размеры талломов Phiscia aipolia
составляют в среднем 0,3 см. Административно – это районы хим. Городков, ул. Мира, Пед. Института, ПГУ, Гор.
Сада, Гор. Зеленстроя, парка Победы, микрорайонов Дачный и Восточный.
Зона умеренного загрязнения. Зона занимает примерно 10 % исследуемой территории. Среднее
суммарное покрытие деревьев лишайниками 1,6%. Чаще встречаются угнетенные виды Phiscia aipolia, , Сaloplaca
aurantiaca, Сaloplaca phuraceae, Parmelia. Диаметр слоевищ листоватых лишайников в среднем составляет 0,35 см.
Встречаются отдельные талломы Phiscia aipolia с апотециями. На данной территории находятся небольшой
участок дач радиозавода «Весна», садоводства «Здоровье», островки старых лесонасаждений в роще,
расположенных в стороне от крупных автомагистралей и промышленных предприятий.
Составление лихеноиндикационной карты города не позволило нам объяснить причины угнетения флоры
низших растений. В условиях сложного загрязнения атмосферы, при совместном воздействии выхлопных газов
автотранспорта, поллютантов ПАЗа, химического завода, пыли золоотвалов трудно сделать вывод о
доминировании какого-либо вида загрязнителей. Поэтому для ознакомления с распределением токсичных веществ
на территории Павлодара была взята кора деревьев, относящихся по ее свойствам к двум группам: видам бедной
коры (сосна, береза) и видам богатой коры (клен, карагач). Оказалось, что на большей части исследуемой
территории города наблюдается незначительное повышение рН коры деревьев по сравнению с корой тех же пород
на территории Баян-Аульского Национального парка, взятого нами за контроль (анализ рисунка 6).
Изменение показателя рН коры деревьев
в городе и Баян-Аульском Национальном
парке
6
5
4
Контроль
рН 3
Город
2
1
0
Сосна
Береза
Рисунок 7. Изменение значения показателя рН коры деревьев
в городе и в Баян-Аульском Национальном парке
Таким образом, повышение рН коры деревьев связано с щелочным загрязнением атмосферы, которое
обуславливают катионы металлов, осаждающиеся на растения из атмосферной пыли, вместе с осадками, с
выхлопными газами автотранспорта, содержащих большое количество свинца. Воздействие данных
загрязнителей на рН субстрата привело, по нашему мнению, к обеднению лихенофлоры города.
Для установления степени загрязнения атмосферы катионами свинца, а также ответной реакции отдельных
видов лишайников на это загрязнение, мы провели трансплантацию талломов Phiscia aipolia и Parmelia из
«чистых» мест обитания (Баян-Аульского Национального парка) в различные участки города в непосредственной
близости от крупных автомагистралей и в стороне от них. Наблюдение за лишайниками проводилось 12 месяцев
(май 2002 года –май 2003 года). Опыт ясно показал появление у трансплантантов различных повреждений:
появлений глубоких трещин, изменение окраски, за счет разрушения водорослевого слоя, уменьшение диаметра
слоевищ ( анализ фотографий до и после трансплантации), числа апотециев (анализ рисунка7,8) , увеличение
количества плазмолизированных клеток водорослей (анализ рисунка) ДОПОЛНИТЬ. Незначительное увеличение
диаметра слоевищ наблюдалось у лишайников, трансплантированных в район рощи и дач.
Изменение диаметра слоевища (см.)
фисции и пармелии после
трансплантации
4
3,5
3
2,5
см 2
1,5
1
0,5
0
До
После
Фисция
Пармелия
Рисунок 8. Изменение диаметра слоевища (см.). Phiscia aipolia и Parmelia после трансплантации
Изменение числа апотециевPhiscia aipolia в
результате трансплантации
10,58
до
18,54
после
Рисунок 9. Изменение числа апотециев Phiscia aipolia после трансплантации.
Причем, большим повреждениям подверглись лишайники , трансплантированные в районы ПГУ, улиц Каз.
Правды, Мира, ЖД Вокзала, Площади Конституции, наименьшим – в районе дач «Весна», «Здоровье», рощи.
Значительные изменения анатомо-морфологических особенностей мы наблюдали у Parmelia, пересаженной как
вблизи автодорог, так и на незначительном расстоянии от них (анализ таблицы 2).
Место
трансплантации
ПГУ
Ул. Каз.правды
ЖД. Вокзал
Гор.сад
Ул. Мира
Площадь
Конституции
Хим.городки
ЦУМ
Дачи «Весна»
Роща
Phiscia apolia
Май 2002
Май
2003
☺☺☺
☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺



 



☺
☺☺☺
☺☺☺
Parmelia
Май 2002
Май
2003
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺
☺☺
☺☺☺

 



 



☺☺☺
Таблица 2. Изменение морфологических признаков у Phiscia apolia и Parmelia
после трансплантации вдоль автомагистралей.
Примечание :
☺– слоевища нормально развито
 – на слоевищах единичные повреждения
- до половины слоевища повреждено
- слоевище погибло
 – не обнаружен
Таблица 3. Хроматографический и вольтамперометрический анализ слоевищ (данные ГорСЭС).
Phiscia apolia
Место
трансплантации
Хроматографический
анализ
Parmelia
Данные
ГорСЭС
млг/кг
Наличие Pb2+
ПГУ
Ул. Каз.правды
ЖД. Вокзал
Гор.сад
Ул. Мира
Площадь
Конституции
Хим.городки
ЦУМ
Дачи «Весна»
Роща
Контроль
Хроматографический
анализ
Данные
ГорСЭС
млг/кг
Наличие Pb2+
+
+
+
+
+
16.78
3.98
3.53
3.32
0.509
+
+
+
+
+
16.78
4.0
3.5
3.32
0.58
-
-
+
0.501
+
+
+
-
0.47
0.4
0.1
0,002
+
+
+
-
0.5
0.5
-
Физико-химический анализ слоевищ на содержание катионов свинца показал, что сильное угнетение
жизненности лишайников рода Parmelia не связано с лучшей аккумулирующей способностью их талломов(
анализ таблицы 2).Это явление можно объяснить большей чувствительностью рода Parmelia к загрязнению
атмосферы выхлопными газами автотранспорта. Открываемый минимум качественной реакции на катионы
свинца (0,07мкг,KI) позволяет использовать метод бумажной хроматографии для идентификации тяжелого
металла. Результаты хроматографического выявления катионов свинца в коррелируют с данными
вольтамперометрического определения этого загрязнителя в талломах лишайников, проведенным Гор. CЭC.
( анализ таблицы 2). А данные об особо загрязненных участках города, установленные нами с помощью
трансплантантов, совпадают с показателями содержания свинца в атмосферном воздухе Павлодара,
полученными в рамках комплексной программы «Профилактика».
Значительное влияние на состояние лихенофлоры города оказывает вырубка взрослых деревьев
(тополей, берез), поскольку молодые саженцы в связи со значительным изменением экологических условий
заселяются лишайниками хуже.
Таким образом,
 инвентаризация лихенофлоры города и его окрестностей показала значительное обеднение
видового состава лишайниковых синузий;
 угнетенное состояние талломов лишайников свидетельствует об ухудшении экологической
обстановки в городе ( выделено только две зоны загрязнения)
 основными поллютантами атмосферы города Павлодара являются щелочные загрязнители, к
которым относятся катионы свинца, входящие в состав выхлопных газов автотранспорта.
 Лишайники аккумулируют значительное количество катионов свинца и могут служить тестобъектами загрязнения атмосферы городов выхлопными газами автотранспорта. Наиболее
чувствительным к данному виду токсикантов и доступным в пределах Павлодарской
области индикатором «свинцового» неблагополучия является род Parmelia
 Достоверным , экономически выгодным и быстрым химическим методом анализа
трансплантантов является хроматографическое определение катионов свинца в талломах
лишайников
Заключение
Для поддержания качества жизни сложный комплекс взаимодействий человека и природы требует
своевременного анализа, регулирования и оптимизации. Нетрудоемким, экономически выгодным и
достоверным методом мониторинга загрязнения окружающей среды выхлопными газами автотранспорта
является лихеноиндикация. Установленные нами характерные изменения анатомо-морфологических
особенностей талломов лишайников, - это сигнал о загрязнении приземных слоев атмосферы катионами
свинца, а уменьшение количества видов и понижение жизненности лишайниковых синузий города – это
ответная реакция на увеличение источников загрязнения окружающей среды катионами тяжелых
металлов. Наиболее чувствительным к загрязнению атмосферы катионами свинца является широко
распространенный в Павлодарской области род Parmelia. Его трансплантация в придорожные экосистемы
дает объективные наглядные результаты, которые коррелируют с данными Гор.СЭС. Для подтверждения
результатов пересадки растений из «чистых» мест обитаний в город мы предлагаем использовать простой и
доступный метод бумажной хроматографии. Его проведение не требует дорогой аппаратуры и
обеспечивается приборами, реактивами и материалами школьной лаборатории.
Таким образом, использование методов и результатов данного проекта позволяют организовать
длительные наблюдения за состоянием окружающей средыметоды и результаты данного проекта могут
быть использованы для организации длительных рядов наблюдений не только за состоянием пришкольных
экосистем в рамках экологических кружков., исследовательских лабораторий Ноу, но и состоянием
крупных промышленных районов, городов, областных центров. Объективность результатов наблюдений
подтверждается доступными методами химического и анатомо-морфологического анализа.
Подводя итог по результатам индикации атмосферы на содержание катионов свинца с помощью
лишайников, можно рекомендовать использование данного метода для экологической
характеристики крупных промышленных городов Казахстана.
Список литературы
1. Инсаров Н. Г. Методика изучения лишайников- эпифитов для целей
экологического мониторинга . 7-я конференция по споровым растениям Средней
Азии и Казахстана. Тезисы докладов. – А- Ата, 1984.-с.332-333.
2. Блюм О.Б. Влияние газообразных атмосферных загрязнителей на лишайники
Международная школа по лихеноиндикации.- Таллинн, 1982.-78 с.
3. Мартин Л. и Мартин Ю. Определение степени полеотолерантности лишайников
при
помощи линейной ординации. Folia GryptogamicaEstonica.Таллинн, 1974,
- 33-40 с.
4. Мартин Ю.и Мартин Л. Фитоиндикация загрязненности атмосферного воздуха.
Биосфера и человек, Наука, 1975, с. 300-303
5. Мартин Ю. и Назаров А. Биохимические аспекты метода лихеноиндикации.
Лихеноиндикация состояния окружающей среды,- Таллинн, 1978, с. 19-23
6. Мартин Ю. Лихеноиндикация и динамика лишайниковых группировок
Брио- лхенологические исследования высокогорных районов Севера СССР,
Апатиты,1981, с.206-208
7. Мартин Ю. Лихеноиндикация состояния окружающей среды. Взаимодействие
лесных экосистем и атмосферных загрязнителей.- Таллинн, 1982, с. 27-42
8. Нильсон Э. М. и Мартин Л. Эпифитные лишайники в условиях кислого и
щелочного загрязнения. Взаимодействие лесных экосистем и атмосферных
загрязнителей.- Таллинн, 1982, с. 88-101.
9. Шапиро И.А. Загадки растения – сфинкса . 1991, с.79.
10. Андреева Е.И. Материалы к флоре лишайников Акмолинской обл. Материлы по
_ споровым растениям Казахстана. - А-Ата, 1961, с. 221-235.