Биоиндикация атмосферного загрязнения с использованием флуоресцентного метода

Важнейшей составной частью экологического мониторинга окружающей природной среды является биомониторинг – система наблюдений, оценки и прогноза различных изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения. Основной задачей биологического мониторинга является наблюдение за уровнем загрязнения биоты с целью разработки систем раннего оповещения, диагностики и прогнозирования [2].

Древесные насаждения являются одним из механизмов стабилизации экологической обстановки в городах. Роль зеленых насаждений в снижении негативного воздействия окружающей среды заключается в их способности нивелировать неблагоприятные для человека факторы природного и техногенного происхождения. Воздействие загрязнителей может происходить непосредственно на уровне фотосинтетического аппарата, при этом нарушается его структура и способность к функциональным перестройкам, что отражается на флуоресцентных показателях растений [3].

Оценка подобных изменений позволила разработать методы биологического контроля окружающей среды, где растения выступают в качестве биоиндикаторов и тест-организмов. Одним из методов оценки влияния загрязнителей на растения является изучение сезонной динамики с использованием метода регистрации и анализа термоиндуцированных изменений нулевого уровня флуоресценции (ТИНУФ) [4, 5].

Цели и задачи. Изучение сезонной динамики фотосинтетической активности растений тополя бальзамического (Populus balsamifera), произрастающих в условиях различного загрязнения воздушной среды, методом регистрации термоиндуцированных изменений нулевого уровня флуоресценции хлорофилла (ТИНУФ) для градации исследуемых районов г. Красноярска по уровню атмосферного загрязнения.

Методы и результаты исследований. Объектом исследования служили ткани феллодермы, взятые с неодревесневших побегов тополя бальзамического (Populus balsamifera). Образцы отбирались в пределах г. Красноярска с четырёх пробных площадей (ПП), разных по уровню атмосферного загрязнения, три из ко- торых являются территориями, подверженными воздействию загрязнителей, достаточно специфичных ввиду расположения на них промышленных предприятий разного профиля: р-н КрасТЭЦ (ПП2), прилежащая территория завода медицинских препаратов «КрасФарма» (ПП3) и р-н Предмостной площади (ПП4). В качестве условно чистого района выбрана территория парка «Роев ручей» (ПП1).

Для подтверждения различий уровня атмосферного загрязнения между исследуемыми пробными площадями был проведен физико-химический анализ смывов с листьев тополя бальзамического в июне 2011 года (табл.).

Результаты физико-химического анализа смывов с листьев тополя бальзамического

Район исследований	pH	Оптическая плотность	Электропроводность
Роев ручей (ПП 1 )	6,2± 0,1	0,06±0,01	0,17±0,01
КрасТЭЦ (ПП 2 )	6,0± 0,1	0,32±0,01	0,48±0,01
КрасФарма (ПП 3 )	6,0± 0,1	0,34±0,01	0,54±0,01
Предмостная площадь (ПП 4 )	5,4± 0,1	0,40±0,01	0,72±0,01

Полученные результаты показывают снижение рН от 6,2 на ПП 1 до 5,4 на ПП 4 , обусловленное высоким содержанием окислов серы и азота, поступающих в среду в составе выхлопных газов транспорта. Прозрачность растворов уменьшается от ПП 1 к ПП 4 за счет увеличения содержания в воздухе песка, сажи и других нерастворимых частиц. Электропроводность, связанная с увеличением содержания ионов, также растет от ПП 1 к ПП 4 . Таким образом, по данным физико-химического анализа смывов, изученные пробные площади расположились, относительно друг друга, по возрастанию уровня техногенного воздействия следующим образом: район парка «Роев ручей», район КрасТЭЦ, район «КрасФарма» и район Предмостной площади.

Регистрацию термоиндуцированных изменений нулевого уровня флуоресценции хлорофилла проводили на флуориметре «Фотон-11», разработанном в СФУ, в диапазоне от 20 до 80°С при скорости нагрева 8 градусов в минуту. В качестве показателя состояния растений и глубины покоя использовали отношение интенсивностей флуоресценции (R 2 =Фл нт /Фл вт ), соответствующих низкотемпературному и высокотемпературному максимумам на кривой ТИНУФ, а также наглядный вид кривых ТИНУФ [6, 7].

Теоретической основой метода является изменение агрегированности составляющих фотосинтетического аппарата, что проявляется в качественном изменении кривых ТИНУФ. В период активного метаболизма на графике регистрируется два пика – низкотемпературный, связанный с активностью хлорофилл-белкового комплекса фотосистемы 2, и высокотемпературный, обусловленный «разгоранием» хлорофилл-белкового комплекса фотосистемы 1, при инактивации её реакционных центров. При переходе в состояние зимнего покоя наблюдается качественное изменение формы кривой, проявляющееся в отсутствии низкотемпературного максимума, что приводит к снижению отношения низко- и высокотемпературного максимумов (R 2 ) флуоресценции.

Для количественной оценки состояния атмосферного воздуха в исследованных районах рассчитывался параметр А:

А=R o /R k, где R o – среднее значение отношения низкотемпературного к высокотемпературному максимуму в исследуемых районах (R 2 ); R k – среднее значение отношения низкотемпературного к высокотемпературному максимуму (R 2 ) в контрольном районе.

С октября 2008 года производилась регистрация кривых ТИНУФ феллодермы тополя бальзамического из районов г. Красноярска, разных по уровню атмосферного загрязнения.

В ходе изучения годовой динамики изменения показателя R 2 можно отметить, что минимальные значения данного показателя характерны для зимнего периода и соответствуют состоянию покоя. Чем больше величина R 2 , тем выше фотосинтетическая активность. Наибольшие различия для растений из районов города, разных по уровню загрязнений, отмечены в период перехода в состояние покоя (сентябрь – ноябрь) и выхода из него (апрель – май) (рис. 1).

■ Роев ручей

■ Крас ТЭЦ

■ КрасФарма

■ Предмостная

а

■ Роев ручей

■ КрасТЭЦ

■ КрасФарма

■ Предмостная

б

Рис. 1. Годовая динамика изменения величины R2 феллодермы тополя бальзамического из районов г. Красноярска, разных по уровню атмосферного загрязнения: а – 2009–2010 гг.; б – 2010–2011 гг.

Проведенная с октября 2008 года по июнь 2009 года регистрация кривых ТИНУФ показала, что в переходные периоды, исходя из величины показателя R 2 , пробные площади располагались относительно друг друга следующим образом: район Предмостной площади – наибольшая величина R 2 , далее – район КрасТЭЦ, район «КрасФарма» и наименьшее значение показателя R 2 отмечено у образцов из района парка «Роев ручей» (рис. 2).

Начиная с сентября 2009 г. (рис. 1), было отмечено увеличение отношения R 2 у растений из района «КрасФарма» относительно других районов по сравнению с предыдущим периодом исследований (рис. 2), что согласуется с наращиванием интенсивности производства на данном предприятии, подтверждаемым информацией СМИ [8]. Реакция растений в этом случае говорит о чувствительности предложенного метода к изменению уровня загрязнения.

В целом можно отметить, что уровень загрязнения в значительной степени влияет на длительность состояния покоя у растений и его глубину. В районах города с более высоким уровнем загрязнения был отмечен более поздний переход в состояние покоя и более ранний выход из него.

Рис. 2. Динамика величины R 2 феллодермы тополя бальзамического из районов г. Красноярска, разных по уровню загрязнения

Проведенное выведение растений из состояния покоя в лабораторных условиях позволило установить меньшую глубину состояния покоя у образцов, подверженных воздействию загрязнения (рис. 3). Это проявляется в том, что для феллодермы тополя, произрастающего в районе Предмостной площади, рост уровня R2, свидетельствующий о выходе растений из состояния покоя, наблюдается на 1–2-й день. Позже всего начинают выходить из покоя растения с территории парка «Роев ручей». Остальные пробные площади занимают

положение.

1,4

R2

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

mid

• ■    Роев ручей

• ■    КрасТЭЦ

• ■    КрасФарма

• ■    Предмостная

1 день 3 день 5 день 7 день 10день

а

1,4

R2

1,2

I Роев ручей

0,8

0,6

0,4

0,2

■ КрасТЭЦ

КрасФарма

Предмостная

1 день 3 день 5 день 7 день 10день

б

Рис. 3. Динамика R 2 феллодермы тополя бальзамического из районов г. Красноярска, разных по уровню атмосферного загрязнения, при выведении из состояния покоя в лабораторных условиях: а – 2009 год; б – 2011 год

Для количественной оценки влияния загрязнения на состояние растений был предложен параметр А исходя из следующих теоретических рассуждений. Основу биоиндикационных исследований с использованием метода регистрации термоиндуцированного изменения нулевого уровня флуоресценции составляет положение о том, что загрязнение атмосферного воздуха сокращает период зимнего покоя древесных растений [1, 4, 5]. Это проявляется в том, что в загрязненных районах уровень показателя R 2 выше по сравнению с чистыми (контрольными районами). Соответственно, чем выше значение параметра А (А=R o /R k ), тем выше уровень атмосферного загрязнения в данном районе.

При изучении четырех районов г. Красноярска с различным уровнем загрязнения атмосферного воздуха наибольшие значения параметра А получены для района Предмостной площади (рис. 4), что, согласно теоретическим положениям, свидетельствует о наиболее высоком уровне атмосферного загрязнения, далее в порядке убывания расположились районы КрасФарма, КрасТЭЦ и Роев ручей (рис. 4, б).

Роев ручей

^^^^» КрасТЭЦ

^^м • КрасФарма

Предмостная

Роевручей

КрасТЭЦ

КрасФарма

Предмостная

б

Рис. 4. Величина параметра А в период выхода тополя бальзамического из состояния покоя в лабораторных условиях: а – 2009 год; б – 2011 год

Однако такая последовательность установилась после наращивания интенсивности производства на предприятии Красфарма в сентябре 2009 года [8]. До этого периода времени район КрасТЭЦ занимал второе место по уровню атмосферного загрязнения (рис. 4, а).

Выводы. Таким образом, деревья, произрастающие в загрязненных районах, позже переходят в состояние покоя и раньше выходят из него. При этом глубина покоя у них на протяжении всего зимнего периода меньше, о чем можно судить по скорости выхода побегов из покоя в лабораторных условиях. Данное явление можно использовать как информативный биоиндикационный показатель степени загрязнения атмосферы вокруг промышленных предприятий и в городской среде. Предложенный метод удобен тем, что образцы растений для определения состояния покоя можно собирать зимой сразу в больших количествах и на больших территориях, поскольку, сохраняя ветки в замороженном виде, можно не опасаться их повреждения при транспортировке и хранении.

Введение расчетного параметра А позволяет количественно и наглядно оценить сравнительный уровень техногенного воздействия на растения, произрастающие в условиях различного загрязнения воздушной среды, что позволяет эффективно использовать метод регистрации термоиндуцированных изменений нулевого уровня флуоресценции для распределения районов города по уровню загрязнения.