СПОСОБ ОЦЕНКИ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ С ПОМОЩЬЮ ЭПИФИТНЫХ ЛИШАЙНИКОВ ПРИ АЭРОТЕХНОГЕННОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ

Изобретение относится к области лесного хозяйства, экологии, в частности к оценке содержания элементов группы тяжелых металлов, таких как Sr, As, Cu, Ni, Со, Pb, Zn, Fe, Mn в атмосферном воздухе по степени их накопления слоевищами эпифитных лишайников, выполняющих функции живого поглотителя и сорбирующей поверхности. Повышенная способность лишайников к аккумуляции этих трансграничных поллютантов объясняется высокой активностью катионного обмена, отсутствием кутикулярного слоя, обеспечивающего свободное проникновение тяжелых металлов через всю поверхность таллома [1].

Традиционный путь определения тяжелых металлов - сложный, включающий использование передвижных и стационарных постов и станций, дорогостоящего оборудования, а также анализ воздушных фильтров (аспирационный метод) или анализ атмосферных осадков (седиментационный метод). Предлагаемый метод направлен на устранение этих недостатков, в частности он позволяет оценивать загрязнение атмосферного воздуха тяжелыми металлами за определенный период времени, а также проводить ретроспективный анализ, т.к. эпифитные лишайники - биоиндикаторы, обладающие свойством аккумуляции и длительного сохранения загрязнителей.

Также известно, что для целей бриомониторинга обычно используются напочвенные виды лишайников и имеющие узкие границы ареалов, например Peltigera canina (L.) Willd., виды рода Cladonia, редкие во многих регионах - Flavoparmelia caperata (L.) Hale, Nephroma arcticum (L.) Torss. [2-4].

Наиболее близким по технологии, методическим приемам и планируемому результату к заявляемому является способ биоиндикации радиоактивного загрязнения воздуха с использованием сфагнового мха. Для этого из сфагновых мхов, собранных на реперных точках и пробных площадках, изготавливают пробы для экспонирования и для контрольных образцов. Пробы устанавливают по трансктам в различных точках сети опробования, помещая на деревьях или на шестах на высоте 1,8 м от поверхности почвы [5]. Недостаток рассматриваемого способа - ограниченная область применения (только радиационный мониторинг), использование мохообразных как менее чувствительных видов, необходимость изъятия и транспортировки, а также прикрепления образцов, отсутствия гомогенизации проб.

По аналогии предлагается использование эпифитных лишайников, имеющих широкий ареал, эвритопных видов для мониторинга тяжелых металлов в атмосферном воздухе как антропогенно преобразованных местообитаний, так и естественных при аэротехногенном загрязнении.

Основная задача, на решение которой направлено изобретение, - обеспечение оптимальных условий существования организмов и, в частности, человека в условиях аэротехногенного загрязнения.

Сформулированная задача достигается тем, что в способе оценки содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе, согласно которому в качестве биоиндикатора используют эпифитные лишайники, выполняющие функции поглощающих поверхностей, отобранных на пробных площадках в реперных точках, площадь сбора не менее 10×10 м, упакованные в бумажные мешки и транспортированные в лабораторию, где отобранные образцы очищают от включений, коры, в отличие от прототипа в качестве биоиндикаторов используют эпифитные, широко распространенные (эвритопные, фоновые) виды Xanthoria parietina (L.) Th. Fr., Evernia prunastri (L.) Ach., у Usnea hirta (L.) Weber ex F.H. Wigg., отобранные, высушенные, подготовленные для анализа методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии, на основании результатов этого анализа делают вывод о загрязненности атмосферного воздуха тяжелыми металлами (Sr, As, Cu, Ni, Со, Pb, Zn, Fe, Mn) путем сравнения концентрации тяжелых металлов в пробах лишайников, отобранных на исследуемой территории относительно проб эпифитных лишайников, отобранных на фоновой территории (с известным загрязнением).

Относительно прототипа новым в способе является то, что в качестве биоиндикаторов загрязнения воздуха тяжелыми металлами (Sr, As, Cu, Ni, Со, Pb, Zn, Fe, Mn) используют эпифитные виды лишайников, в частности широко распространенные в антропогенно преобразованных и естественных местообитаниях - Xanthoria parietina (L.) Th. Fr., Evernia prunastri (L.) Ach., у Usnea hirta (L.) Weber ex F.H. Wigg., выполняющие функции поглощающей поверхности.

Новым является и отбор проб. Он заключается в том, что при пробоотборе изымаются лишайники с древесных стволов на 1,6-1,8 м острым инструментом. Отобранные пробы собирают в бумажные пакеты с обязательным указанием даты и места сбора. В таком виде они доставляются в лабораторию.

Новым является и пробоподготовка проб эпифитных лишайников к определению содержания в них тяжелых металлов, которое проводят следующим способом. Сначала пробы очищают от инородных включений, рассыпают на чистую бумагу, мацерируют ручным способом, гомогенизируют и проводят предварительную сушку в течение 2-3 дней, а затем в сушильном шкафу в течение суток при температуре +160°C. Высушенные пробы собирают в бумажные пакеты с обязательным указанием даты и места сбора. Это позволяет хранить пробы лишайников продолжительное время, при этом не оказывается влияния на содержание тяжелых металлов в пробах. Непосредственно перед анализом проводится пробоподготовка по методическим указаниям для работы на рентгенофлуоресцентном спектрометре Спектроскан Макс.

Использование эпифитных лишайников приводит к упрощению метода, уменьшению трудоемких операций, применению доступных для математической обработки признаков биоиндикаторов.

Пример конкретной реализации

Для установления комплексных показателей лихенобиоты образцы фоновых видов эпифитных, эпиксильных и эпигейных лишайников собирались в летний и зимний период времени в эталонных экосистемах ФГУ «Заповедник «Брянский лес» (Суземский и Трубчевский районы Брянской области) (кв. 69, 70, 85, 86, 89, 90, 92, 93, 94, 99, 108, охранной зоне - кв. 1), на территории четырех административных районов г. Брянска, лесопарке Соловьи (г. Брянск), в Карховском лесу г. Новозыбкова (Новозыбковский район), д. Веприн (Новозыбковский район), д. Смяльч (Гордеевский район), п. Мирном (Красногорский район), Снежетьском лесничестве (кв. 24). Для комплексных анализов использовались распространенные виды лишайников различных экологических групп: Xanthoria parietina (L.) Th. Fr., Hypogymnia physodes (L.) Nyl. Evernia prunastri (L.) Ach. Usnea hirta (L.) Weber ex F.H. Wigg., Phaeophyscia ciliata (Hoffm.) Moberg. Cladonia coniocraea () Spreng., Cladonia rangiferina (L.) Weber ex F. H. Wigg. Cladonia arbuscula (Wallr.) Flot.

Валовое содержание элементов группы тяжелых металлов (ТМ) в слоевищах эпифитных лишайников определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа, который основан на измерении интенсивности рентгеновского флуоренсцентрального (характеристического) излучения определяемых элементов при экспонировании порошковых проб (образцов для анализа). Для работы использовали прибор «Спектроскан Макс» фирмы Spectron [6]. Подготовку проб к анализу валового содержания ТМ осуществляли в соответствии с ОСТ 10259-2000, высушивание проб до воздушно-сухого состояния проводили при температуре 105°C, измельчали лабораторным дисковым истирателем ЛДИ-60М до максимального размера частиц <1 мм. Масса измельченной пробы - не менее 100 г. [6, 7]

Анализ результатов исследований для биомассы, концентрации тяжелых металлов осуществлен статистическими методами с использованием пакета MS Excel 2003 [8].

Номенклатура видов лишайников указана согласно «Списку лихенофлоры России» (2010) [9].

Параллельный анализ проб лишайников на валовое содержание ТМ в слоевищах выявил превышение ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) по некоторым из них в различных местообитаниях (рисунки 1-3). Для образцов эпифитной лихенобиоты концентрация свинца выше ОДК определена в слоевищах Parmeliopsis ambigua (Советский район, лесопарк Соловьи), Xanthoria parietina (Советский, Володарский, Бежицкий и Фокинский районы, лесопарк Соловьи), Phaeophyscia ciliata (Бежицкий район), Evernia prunastri (лесопарк Соловьи). Валовое содержание меди превышало ОДК в слоевищах Xanthoria parietina (Советский, Бежицкий районы), Flavoparmelia caperata (Володарский район), Evernia prunastri (лесопарк Соловьи); цинка - Xanthoria parietina (Советский, Володарский районы); никеля - Xanthoria parietina (Бежицкий и Фокинский районы), Parmeliopsis ambigua (Советский и Володарский районы).

Анализ концентрации ТМ в пробах эпифитных лишайников в урбоэкосистемах выявил накопление отдельных ТМ отдельными слоевищами, что подтверждает мнение о их сильных абсорбционных свойствах [10, 11].

Для Карховского леса (г. Новозыбков, Новозыбковский район) ОДК превышено в основном по меди для всех видов эпифитных лишайников и по никелю для эпиксильного лишайника Cladonia coniocraea. В слоевищах Usnea hirta также превышено валовое содержание меди по ОДК. В окрестностях пгт Мирный слоевища Usnea hirta накопили никель.

В охранной зоне заповедника валовая концентрация свинца превышает ОДК для Xanthoria parietina, Evernia prunastri, никеля - для Xanthoria parietina.

В кв. 108 территории заповедника валовая концентрация свинца выше ОДК у Xanthoria parietina, никеля - у Evernia prunastri; в кв. 70 меди - у Xanthoria parietina, в кв. 90 и кв. 86 валовое содержание свинца и цинка - у Xanthoria parietina. Вероятно, повышенное содержание некоторых ТМ в фоновых местообитаниях вызвано аэротехногенными причинами и повышенной абсорбционной активностью эпифитных лишайников к токсикантам.

Для проб лишайников, собранных в Снежетьском лесничестве, д. Веприн, д. Смяльч, пгт Мирный, содержание всех ТМ ниже ОДК.

Итак, превышение ОДК валового содержания ТМ выявлено в основном в слоевищах эпифитных лишайников: Xanthoria parietina, Evernia prunastri, Usnea hirta, Parmeliopsis ambigua и др. В местообитаниях города все эпифитные лишайники накапливают ТМ выше ОДК, на фоновых территориях - Xanthoria parietina и Evernia prunastri.

В образцах эпифитных лишайников, собранных в местообитаниях условно фоновых территорий в зимний период, наблюдалось превышение ОДК по свинцу, никелю, меди. Содержание свинца составляло от 35,6 до 65,1 мг/кг, никеля - от 28,9 до 39,5 мг/кг (отличия статистически достоверны, t_практ.>t_табл), меди - от 42,3 до 55,7 мг/кг (отличия статистически недостоверны, t_практ. < t_табл). Превышение ОДК ТМ в образцах, отобранных зимой, свидетельствует о влиянии внутренних факторов (вероятно физиологических) на накопительную способность лишайников. Возникает проблема времени сбора образцов для определения содержания элементов, а также дополнительных исследований влияния возрастных характеристик лишайников на скорость поглощения элементов. Поэтому для биоиндикации аэротехногенного загрязнения возможен сбор и анализ смешанных проб эпифитных лишайников с указанием времени (и сезона) года. Для выявления токсического действия загрязнителей необходимо также согласовывать отбор проб. Однако эти рекомендации нуждаются в тщательной разработке и учете ряда сопутствующих факторов.

Превышение валового содержания ТМ в слоевищах эпифитных лишайников коррелирует с высокими индексами токсичности - токсичностью, сильной токсичностью, высоким уровнем токсичности (все городские местообитания, экотопы в охранной зоне и ядре заповедника как фоновых территорий) (Анищенко, 2013) [12]. Все токсические эффекты, регистрируемые методами биотестирования, включают комплексное воздействие токсикантов различных форм, а также позволяют учесть и биологические особенности, которые проявляет объект тестирования (лишайник). Проведенные экоаналитические исследования также позволили установить накопительные эффекты, проявляющиеся при воздействии загрязнителей на различные экологические группы лишайников. Наибольшая аккумуляционная способность выявлена у эпифитных видов, особенно у Xanthoria parietina, Evernia prunastri, менее значительно - у Usnea hirta в городских местообитаниях - у Xanthoria parietina и Parmeliopsis ambigua.

Регистрация повышенного валового содержания ТМ в охранной зоне и на территории заповедника показывает воздействия химических и других агентов на объекты исследования, а также позволяет сделать предположение о поступлении загрязнителей различной природы с трансграничным перемещением воздушных масс.

Комплексный анализ также показал невозможность использования лишайников для диагностики уровня общего загрязнения среды в местообитаниях с различным уровнем радионуклидного загрязнения.

Таким образом, химико-аналитические методы подтвердили значение лишайников как биоиндикаторов общего состояния сред обитания, доказали приоритетное использование эпифитных форм перед эпигейными и эпиксильными при индикации аэротехногенного загрязнения среды.

Краткое описание чертежей

В эпифитной лихенобиоте антропогенно преобразованных местообитаний (города, поселки городского типа, деревни) с сочетанным радиационно-химическим загрязнением определены повышенные концентрации элементов группы тяжелых металлов (ТМ). Для Xanthoria parietina установлено повышенное содержание таких ТМ как свинца, цинка, меди, никеля, Parmeliopsis ambigua - свинца, никеля, Evernia prunastri - свинца, меди, Phaeophyscia ciliata - свинца (рисунок 1). Эти лишайники относятся к эпифитным формам.

Для местообитаний эталонной территории (ФГУ «Заповедник «Брянский лес») - охранной зоны (рисунок 2) - показаны высокие концентрации ТМ (мг/кг) для биопроб Xanthoria parietina - свинца, никеля, Evernia prunastri - свинца (эпифитные формы). Валовое содержание в слоевищах эпиксильных и эпигейных лишайников остальных ТМ не превышает фоновые значения.

Для местообитаний ядра заповедной территории (рисунок 3) установлено превышение валовой концентрации (мг/кг) некоторых ТМ в биомассе эпифитных лишайников: Xanthoria parietina - свинца, меди, Evernia prunastri - никеля. В образцах эпифитных лишайников, собранных в местообитаниях условно фоновых территорий в зимний период, наблюдалось превышение ОДК по свинцу, никелю, меди.

Источники информации

1. Шапиро А.И. Физиолого-биохимические изменения у лишайников под влиянием атмосферного загрязнения // Успехи современной биологии. 1996. Т. 116. - С. 158-171.

2. Золотарева Е.Н., Скрипченко И.И. Современная миграция тяжелых металлов в биосфере. Деп. В ВИНИТИ. 1981. №1167-82. - 125 с.

3. Качур А.И., Скирина И.Ф. Лишайники как биохимические индикаторы среды // Биохимическая индикация окружающей среды. Л.: Наука, 1988. - С. 24-25.

4. Свирко Е.В., Страховенко В.Д. Тяжелые металлы и радионуклиды в слоевищах лишайников в Новосибирской области, Алтайском крае и Республике Алтай // Сибирский экологический журнал. 2006. №3. - С. 385-390.

5. Маркелов А.В., Минеева Н.Я., Соболев И.А., Дмитриев С.А. Способ отбора и приготовления проб для радиационного мониторинга экосистем при биоиндикации радиоактивного загрязнения воздуха. Патент RU №2188441, G01W 1/00, 27.08.2002.

6. Методы пробоотбора и пробоподготовки / Ю.А. Карпов, А.П. Савостин. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. - 243 с.

7. Методика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошкообразных пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа. М 049-П/04. - С-Пб.: ООО НПО «Спектрон», 2004. - 20 с.

8. Лакин Г.Ф. Биометрия. - М.: Высш. шк., 1990. 352 с.

9. Список лихенофлоры России. - СПб, 2010. - 194 с.

10. Air pollution and lichens / Edited by B.W. Ferry, M.S. Baddeley, D.L. Hawksworth. - London, 1973.

11. Monitoring with lichens - monitoring lichens: Proceeding of the NATO advanced research workshop on lichen monitoring // Wales, United kindom, 16-23 August, 2000. P.L. Nimis, Ch. Scheidegger, P.A. Wolseley - eds. - Kluwer Academic Publ.: Dordrecht ets, 2002. - 408 p.

12. Анищенко Л.Н. Комплексный подход к определению биоиндикационных качеств компонентов лихенобиоты (на примере Брянской области, Россия) // Вестник Саратовского госагроуниверситета. №7. 2013. - С. 3-7.