Изменение спектров окрашенных пленок под действием окружающей среды

В настоящее время крупные города испытывают экологический кризис в связи с увеличением транспортного потока и интенсивной застройкой жилыми, а так же промышленными помещениями. Поэтому возникает необходимость в экспрессных методах контроля окружающей среды. Наиболее распространенными среди них являются оптические методы, основанные на изучении спектров отражения, пропускания и рассеяния листьев растений.

В данной работе были исследованы изменения спектров пропускания листьев различных растений под влиянием неблагоприятных внешних воздействий с целью определения растения-индикатора при «экологическом стрессе».

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Основным пигментом растений, ответственным за фотосинтез, является хлорофилл. В растениях он присутствует в двух формах а и б. Основным для молекулы хлорофилла является наличие атома магния и кольца с расположенным посередине фитольного хвоста. При поглощении света молекула хлорофилла переходит из основного состояния S ₀ в возбужденное состояние S ₁ или S ₂ при поглощении излучения в синей и красной области спектра, соответственно [1]. Это определяет наличие в спектре хлорофилла двух главных максимумов в области 640-660 нм и 420-440 нм.

Изменение содержания и соотношения синтетических пигментов может служить тестом,

Антипова Татьяна Александровна, студентка.

позволяющим оценить различные дозы техногенного воздействия. Для измерения содержания хлорофилла разные авторы предлагают методы обратного комбинационного рассеяния [2], лазерной индуцированной флуоресценции [3], ИК-спектроскопии, Фурье спектроскопии.

Для оценки степени вредного воздействия окружающей среды используют хвойные растения, березу, тополь, водоросли, подорожник и т.д. При этом, как правило, сравнивают спектры растений в один и тот же день в разных пунктах города, которые условно считаются экологически «чистыми» и экологически «загрязненными». Тем не менее, растения находятся изначально в разных условиях роста. Поэтому является актуальным создание тест-объектов.

В данной работе в качестве примера тест-объектов использовали растворы трав и желатиновые пленки, окрашенные экстрактами чистотела, крапивы, мелиссы, лопуха, одуванчика как наиболее распространенных растений, а также раствор хлорофиллипта.

Для приготовления пленок использовали желатин различных марок. Бралась навеска 130г желатина, добавляли 250 мл воды, смесь доводили до 35-40°С и тщательно перемешивали. После этого повышали температуру смеси до ~60°С и добавляли 5-15 мг глицерина для уменьшения хрупкости пленок, и вновь тщательно перемешивали. В полученный раствор добавляли экстракт травы, смесь остужали и выливали на стеклянную очищенную ровную поверхность.

Электронные спектры пропускания регистрировали с помощью однолучевого спектрофотометра Specol 1300, работающий в области от 190 до 1100 нм, пределы допускаемой погрешности длин волн ±0,1 нм, абсолютная погрешность при измерении оптической плотности ±0,004, пропускания ±0,1%.

При использовании спектров растений для анализа экологической обстановки разные авторы пользуются разными индексами. Мы взяли в качестве них наиболее распространенные:

1-I-изменение интенсивности полосы на определенной длине волны в зависимости от расстояния до источника техногенного воздействия, от времени техногенного воздействия и т.д.;

• 2    - k = ^2⁵⁰_ - отношение интенсивностей по- I ₆₆₄

лос на длинах волн 750 нм и 664 нм, соответствующих поглощению клетчатки и хлорофилла а;

I о — I

• 3    - p =-- изменение относительной I о + 1

интенсивности полосы 664 нм

• 4    - A I - разность между спектром пропускания эталонного растения I₀ и спектра пропускания I, подвергнутого экологическому стрессу

• 5 - n = -А⁵⁰. - отношение двух самых интен-

• I415

сивных полос в спектре хлорофилла:

Значения спектральных индексов для различных трав представлены в табл. 1.

Изменения пропускания в области 670 нм (хлорофилл а ) являются достаточно существенными: при изменении концентрации хлорофилла в 3 раза, интенсивность полосы изменяется на 19 у подорожника, на 29 – у лопуха. Это очень удобный критерий. Наиболее сильно спектральный индекс 2 изменяется для мать -и –мачехи. Спектральный индекс 3 удобен при использовании мать-и-мачехи и крапивы. Спектральный индекс 4 удобнее использовать для лопуха. Для всех остальных растений изменения примерно одинаковы. Спектральный индекс 5 удобно использовать для мать-и-мачехи и крапивы.

Можно сделать вывод, что в зависимости от выбора растения-индикатора, следует пользоваться разными спектральными индексами. В дальнейшем будет пользоваться изменением спектров пропускания и индексом

Рис. 1. Спектры пропускания пленок с крапивой, подверженных воздействию ацетона:

1- чистая пленка; после экспонирования в ацетоне: 2- 2 мин: 3- 5 мин

Рис. 2. Спектры пленок с экстрактами чистотела (а) и одуванчика (б): 1-чистая пленка; 2- после воздействия СПАВ в течение 5 мин

Таблица 1. Спектральные индексы

№1 (I) №2 (k = I7) I664 №3 Iq _I (Р=) I +1 №4 (AI =Io-1) №5 (n = I550) I415 Одуванчик 22,5 1,57 0,29 22,5 1,34 Подорожник 19 0,5 0,15 19 0,41 Крапива 22 2,8 0,4 22 2,2 Лопух 29 1 0,3 29 0,8 Мать-и-мачеха 21 6,3 0,52 21 5,2 k = I750

^I 664 ^.

В качестве примера на рисунках 1 и 2 представлены спектры окрашенных пленок до и после негативного воздействия окружающей среды.

Как видно, интенсивность пропускания полосы 660 нм растет, что свидетельствует об уменьшении концентрации хлорофилла. Изменение интенсивности полосы хлорофилла а составляет 12,5% для крапивы, 8,3% для мелиссы и 7% для хлорофиллипта, что соответствует изменению концентрации хлорофилла приблизительно на 30-40 %. Согласно полученным данным наибольшие изменения наблюдаются для крапивы.

На рис. 3 приведены спектры пленок мелиссы при воздействии УФ-излучения.

На длине волны 600 нм (хлорофилл b ) изменение интенсивности полосы для крапивы составляет 12,6 % и 3,3% для мелиссы, а на длине волны 670 нм (хлорофилл а ), соответственно, 9,6% и 2,6%.

Следовательно, содержание хлорофилла а и хлорофилла b убывает, что уменьшает передачу энергии фотосистемам ФС- I и ФС- II.

Рис. 3. Спектры пропускания пленок с мелиссой облученные УФ-излучением

Таблица 2. Изменение интенсивности полосы 600 нм

Время, c	Крапива,% пропускания	Мелисса, % пропускания
0	50,4	74,5
1	54,9	76,0
5	60,9	79,7
10	63,0	77,5

Таблица 3. Изменение интенсивности полосы 670 нм

Время, с	Крапива,% пропускания	Мелисса, % пропускания
0	6,9	51,6
1	8,9	49,7
5	12,3	53,7
10	16,6	54,2

ВЫВОДЫ