В настоящее время возрастает объем поллютантов, поступающих в атмосферу. Актуальна разработка подхода, позволяющего осуществлять эффективный мониторинг атмосферного загрязнения. В качестве индикаторных объектов особый интерес представляют эпифитные лишайники. В серии работ была показана целесообразность использования Фурье-ИК спектрального анализа [4, 5, 8]. Этот метод позволяет выявлять разные поллютанты, оценивать характер и уровень взаимодействия их с биологическими объектами. Для более широкого использования этого подхода в мониторинге экосистем необходимы специальные исследования. Они позволят оценить индикаторную способность разных видов лишайников, выявить механизмы взаимодействия лишайников с разными поллютантами [12]. По результатам таких исследований можно подобрать наиболее чувствительные тест-объекты. Они будут использованы в мониторинге с учетом специфики воздействия разных поллютантов. Все это позволит повысить эффективность мониторинга состояния атмосферы.
Для дальнейшей разработки мониторинга с использованием Фурье-ИК спектрального анализа лишайников необходимы модельные эксперименты и исследования на территории урбоэкосистем [3, 11]. В более ранних работах в качестве объекта использовали Hypogymnia physodes. В настоящее время хорошо изучено влияние серной и азотной кислот на Hypogymnia physodes [4, 5]. Актуальна оценка индикационной способности других эпифитных лишайников. Необходимо изучение других кислотных экотоксикантов. Целесообразно выяснение механизмов воздействия при комплексном загрязнении несколькими поллютантами.
Цель исследования – разработка методики мониторинга с использованием Фурье-ИК спектрального анализа лишайников.
Задачи:
1) изучение характера воздействия разных кислотных поллютантов (серной, азотной и соляной кислот), включая варианты их комбинированного воздействия в лабораторных условиях;
2) оценка индикационной способности широко распространенных видов лишайников (Hypogymnia physodes (L.) Nyl., Parmelia sulcata Tayl., Evernia mesomorpha (Flot.) Nyl., Xanthoria parietina (L.) Belt.);
3) выяснение возможностей метода на территории урбоэкосистем.
Материалы и методы исследованич
Объектом исследования выбрали 4 вида лишайников, которые встречаются повсеместно. Лишайники отличаются степенью чувствительности к действию поллютантов. Среди них среднеустойчивые к загрязнению виды (Hypogymnia physodes и Parmelia sulcata), чувствительные (Evernia mesomorpha) и устойчивые (Xanthoria parietina) [7]. Материал собрали в фоновой зоне, которая располагается в 60 км от г. Твери (окрестности дер. Ферязкино Калининского р-на Тверской обл.).
В лабораторных условиях влажные образцы лишайников выдержали в аэрозолях HNO3, H2SO4 и HCl в течение 7 дней при температуре 22–24 °С (табл. 1). Выбор поллютантов обусловлен превращением диоксидов серы и азота (SO2 и NO2) во влажном воздухе в токсичные соединения – H2SO4 и HNO3 [2]. К кислотным выбросам атмосферы относят хлороводород (HCl), имеющий локальный характер – при производстве эмалей, фарфора, при сжигании отходов. Влажные образцы 1–12 прикрепляли к внутренней поверхности крышки эксикаторов (V = 1 л) над 30 мл 0,5 % кислотами (табл. 1). Аналогичным образом проводили комбинированное воздействие нескольких поллютантов на лишайник (13–24), т.е. в аэрозоли HNO3 и H2SO4, HNO3 и HCl, H2SO4 и HCl. Выбор концентраций кислот определен условиями модельного эксперимента – необходимостью получения быстрого эффекта от воздействия поллютанта. В природных условиях концентрации поллютантов в воздухе значительно ниже, и его действие на лишайник имеет накопительный характер. Спектры образцов H. physodes (1–24) регистрировали на Фурье-ИК спектрометре «Equinox 55» фирмы «Bruker» в диапазоне 400–4000 см–1, разрешение составляло 4 см–1, количество сканов – 32.
Таблица 1
Схема проведения эксперимента
|
Вид |
Тип воздействия |
|||||
|
отдельное |
комбинированное |
|||||
|
HNO3 |
H2SO4 |
HCl |
HNO3+H2SO4 |
HNO3 +HCl |
H2SO4 +HCl |
|
|
Hypogymnia physodes |
1* |
5 |
9 |
13 |
17 |
21 |
|
Parmelia sulcata |
2 |
6 |
10 |
14 |
18 |
22 |
|
Evernia mesomorpha |
3 |
7 |
11 |
15 |
19 |
23 |
|
Xanthoria parietina |
4 |
8 |
12 |
16 |
20 |
24 |
Примечание. * – номер образца.
Для апробации результатов модельного эксперимента с помощью метода ИК-спектроскопии проанализировали образцы широко распространенного лишайника H. physodes, собранных вблизи Тверских ТЭЦ (ТЭЦ-1, ТЭЦ-3 и ТЭЦ-4) и автомагистралей с интенсивным движением (табл. 2).
Таблица 2
Характеристика местообитаний лишайников, собранных на территории г. Твери
|
Номер образца |
Местообитание лишайников |
Источник загрязнения1 |
Основные поллютанты2 |
|
25 |
Центральный р-н: Тверской пр. |
Автотранспорт с карбюраторными двигателями, изношенность основного автопарка, использование системы выхлопа ниже «Euro-2» |
СОх, NOх, СН, SO2 |
|
26 |
Пролетарский р-н: пр. Калинина |
||
|
27 |
Московский р-н: пл. Гагарина |
||
|
28 |
Пролетарский р-н: возле ТЭЦ−1 В 200 м от ТЭЦ-1 |
Процессы сжигания топлива: мазут, газ, |
SO2, NOх, твердые частицы |
|
29 |
|||
|
30 |
Заволжский р-н: возле ТЭЦ-3 |
Уголь, мазут, торф, газ |
|
|
31 |
Московский р-н: возле ТЭЦ-4 |
Мазут, торф, газ |
Примечание. 1 – [11].
Результаты исследования и их обсуждение
Модельный эксперимент. Спектральный анализ лишайников, испытавших отдельное и комбинированное воздействие поллютантов, показал следующие результаты. ИК-спектры образцов 1–24 отличаются в зависимости от типа экотоксиканта и видовой специфичности. Исследования изменений в химическом составе лишайников на основе их ИК-спектров позволили условно выделить два основных варианта воздействия поллютантов на лишайники. Первый связан с поглощением слоевищем поллютанта и, как следствие, с существенными изменениями в химическом составе лишайника; второй не связан с накоплением поллютанта, изменения в химическом составе лишайников отсутствуют или несущественны, отмечается быстрая деструкция слоевища. К первому варианту относится отдельное и комбинированное действие на лишайники HNO3 и H2SO4. Спектральный анализ этих образцов показал изменения в химическом составе, связанные с поглощением поллютанта слоевищами индикаторных видов.
Воздействие HNO3. В спектре образца Hypogymnia physodes (1) отмечены новые полосы при 1384 νs(–О–NO2), 875 и 779 см–1 δ (O–N–O), указывающие на алкилнитраты (R–O–NO2) (рис. 1, a) [5, 6, 10, 12]. Аналогичные изменения обнаружены в спектрах образцов (2–4) других индикаторных видов лишайников (рис. 1, b–d). Алкилнитраты в лишайниковом слоевище образуются путем взаимодействия HNO3 со свободными гидроксильными группами лихенина (L1), основного компонента клеточных стенок:
L –OH + OH–NO2 = HOH + L1–O–NO2. (1)
Образование алкилнитратов в лишайниках сопряжено с окислением свободных OH-групп лихенина до карбонильных ( > C = O) и карбоксильных групп ( > COOH) [1]. В этой связи в спектрах образцов некоторых индикаторных видов зарегистрировано увеличение интенсивностей полос, ответственных за колебания соответствующих групп, усиливающих деструкцию слоевища. Количественный анализ ИК-спектров образцов 1–4 показал, что среди индикаторных видов у Evernia mesomorpha относительное содержание алкилнитратов одно из высоких (А1385/А2925 = 4,0). Меньше всего алкилнитратов обнаружено в образцах устойчивого к загрязнению вида Xanthoria parietina (А1387/А2925 = 2,13 при данных условиях эксперимента).
Экспонирование лишайников в аэрозоле HNO3 вызвало внешние изменения окраски и уплотнение корового слоя. Слоевища Hypogymnia physodes, Parmelia sulcata и Evernia mesomorpha местами приобрели желтовато-бежевый цвет. У Parmelia sulcata были обнаружены небольшие по площади некротические пятна. Изменения плотности корового слоя – вероятно, адаптивная реакция, которая уменьшает токсичность воздействия стрессора, снижает уровень поступления поллютанта. Для мониторинговых исследований загрязнения атмосферы аэрозолью HNO3 подходят все изученные виды лишайников. Они активно накапливают поллютант. Однако, несмотря на высокую поглотительную способность Evernia mesomorpha, целесообразно применять виды Parmelia sulcata и Hypogymnia physodes. Деструкция слоевища, быстрый некроз делает эти виды хорошими индикаторами загрязнения воздуха HNO3.
Воздействие H2SO4. В спектрах образцов среднеустойчивых к загрязнению видов (5–6), экспонированных в аэрозоле H2SO4, обнаружены изменения, связанные с образованием в лишайниках сульфонов (R–SO2R) (рис. 2). О присутствии в лишайниках (5–6) сульфонов свидетельствуют новые полосы при 1313 νa(SO2), 781, 663 и 518 см–1 ν(S–O–C) [4, 7]. Образование сульфонов в лишайниках сопровождается деструкцией слоевища, внешними изменениями. Их образование может происходить по реакции:
CnH2n+2 + OH–SO2–OH + CmH2m+2 = 2HOH + CnH2n+1–SO2–CmH2m+1. (2)
Среди индикаторных видов лишайников наиболее поврежденными оказались образцы Parmelia sulcata и Hypogymnia physodes. Скорость проявления внешних изменений позволяет предположить, что порог чувствительности к действию поллютанта у Parmelia sulcata выше, чем у Hypogymnia physodes. Изменения в спектрах образцов Evernia mesomorpha и Xanthoria parietina выражены в меньшей степени, чем у среднеустойчивых видов. В спектрах образцов Evernia mesomorpha (7) зарегистрировано слабое поглощение при 1356 νa(SO2). К действию H2SO4 Xanthoria parietina оказалась более устойчива. В ИК-спектре образца 8 не выявлено полос поглощения, связанных с поглощением поллютанта и образованием сульфонов. Данные об изменениях в химическом составе, а также внешние проявления позволяют выстроить следующий ряд чувствительности лишайников по отношению к H2SO4:
Parmelia sulcata – Hypogymnia physodes – Evernia mesomorpha – Xanthoria parietina.
В приведенном ряде устойчивость к действию данного поллютанта возрастает слева направо. Виды Parmelia sulcata и Hypogymnia physodes целесообразно использовать в практике мониторинговых исследований загрязнения атмосферы H2SO4. Высокая толерантность к H2SO4 делает Xanthoria parietina непригодным объектом для оценки воздушного загрязнения этим поллютантом.
a
b
c 
d
Рис. 1. ИК-спектры образцов Hypogymnia physodes (а), Parmelia sulcata (b), Evernia mesomorpha (c) и Xanthotia parietina (d): 1 – фоновой зоныe; 2 – выдержанных над 0,5 % HNO3
Рис. 2. ИК-спектры образцов Hypogymnia physode: 1 – фоновой зоны; 2 – выдержанных над 0,5 % H2SO4; 3 – одновременно над 0,5 % H2SO4 и HNO3
Воздействие HNO3 и H2SO4. Спектральный анализ образцов лишайников (13–14), испытавших комбинированное воздействие паров двух кислот, показал изменения в химическом составе, связанные с образованием в нем 2-х типов соединений – сульфонов (R–SO2R) и алкилнитратов (R–O–NO2) (рис. 2). На сульфоны в лишайниках Hypogymnia physodes и Parmelia sulcata указывают полосы при 1318, 779, 666 и 520 см–1; на алкилнитраты – 1384 см–1. Экспонирование других видов лишайников (15–16) в аэрозоле двух кислот не выявило изменений в химическом составе, связанных с образованием сульфонов. В ИК-спектрах образцов Evernia mesomorpha (15) и Xanthoria parietina (16) отмечено слабое поглощение при 1384 см–1, указывающее на присутствие алкилнитратов. Значение D1384/D2925 у Evernia mesomorpha и Xanthoria parietina низкое (0,84 и 0,83). В результате комбинированного воздействия экотоксикантов у лишайников обнаружили внешние изменения слоевищ. В большей степени повреждены образцы среднеустойчивых к загрязнению видов. Голубовато-серая поверхность лопастей Parmelia sulcata становится грязновато-серой, появляются бурого и красно-коричневого цвета пятна. Серовато-зеленая верхняя поверхность лопастей Hypogymnia physodes приобретает грязновато-серый цвет, местами края лопастей бежевые. Наружные участки верхнего корового слоя имеют микротрещины. Внешние изменения образцов E. mesomorpha выражены в меньшей степени. Образцы Xanthoria parietina демонстрируют высокую толерантность к действию кислотного загрязнения. По степени чувствительности к комбинированному действию кислотных поллютантов можно выстроить следующий ряд:
Parmelia sulcata, Hypogymnia physodes – Evernia mesomorpha – Xanthoria parietina.
В биомониторинге загрязнения атмосферы данным типом загрязнения наилучшим образом подходят P. sulcata, H. physodes.
Воздействие HCl, HNO3 и HCl, H2SO4 и HCl. Примером второго варианта воздействия поллютантов на лишайники является действие HCl, а также ее сочетание с HNO3 или H2SO4. При данном типе влияния в ИК спектрах лишайников не обнаружены изменения, связанные с поглощением поллютантов. Отсутствуют полосы поглощения, ответственные за накопление хлорсодержащих загрязняющих веществ при 1461 и 720 см–1 ν(С–Сl) [7]. Отсутствие изменений в химическом составе лишайников сопряжено с существенными внешними изменениями слоевищ. Под действием HCl слоевища обесцвечивались, к концу эксперимента разрыхлялись, происходило ослизнение верхней и нижней коры, выполняющей защитную функцию, препятствуя доступу вредных соединений. Комбинированное действие HCl с другими кислотами оказывается токсичным для лишайников – все слоевища становятся грязновато-серые или бурые. На поверхности верхнего корового слоя многочисленны микротрещины и разрывы. В практике загрязнения атмосферы хлорсодержащими поллютантами низких концентраций использование данных индикаторных видов, скорее всего, нецелесообразно.
Таким образом, ИК-спектры образцов лишайников отличаются при разных типах воздействия экотоксикантов. Можно выделить два основных варианта. Первый связан с адсорбцией слоевищем поллютанта и его взаимодействием с химическими компонентами лишайника. К этому типу относится действие на лишайники аэрозоля H2SO4, HNO3, HNO3 и H2SO4. При втором типе, поллютант не успевает адсорбироваться слоевищем и прореагировать с его химическими компонентами. Основной причиной является высокая токсичность поллютантов для лишайникового слоевища. Лишайниковое слоевище подвергается сильной деструкции, прежде чем начнется адсорбция поллютанта. Примером является действие хлорсодержащих соединений, а также их сочетание с другими экотоксикантами: HCl, HNO3 и HCl, H2SO4 и HCl. Анализ действия поллютантов на лишайники (химические свойства соединений, образующиеся в слоевище, степень их воздействия, морфологические изменения, появление некроза) позволил выстроить ряд по степени токсичности для лишайников:
HNO3 > H2SO4 > H2SO4 + HNO3 > HCl + HNO3 > HCl + H2SO4 > HCl.
Токсичность экотоксикантов для лишайников в приведенном ряде возрастает.
Среди индикаторных видов наибольшие изменения в химическом составе характерны для двух среднеустойчивых к загрязнению видов – Hypogymnia physodes и Parmelia sulcata. В практике мониторинга кислотного загрязнения эти виды целесообразно использовать в качестве объектов исследования.
Идентификация атмосферного загрязнения с помощью Фурье-ИК-спектрального анализа. ИК-спектральный анализ образцов лишайников, произраставших вблизи Тверских ТЭЦ (ТЭЦ-1, ТЭЦ-3 и ТЭЦ-4) и автомагистралей с интенсивным движением, позволил выявить в воздухе азот- и серосодержащие поллютанты – SO2 и/или аэрозоль H2SO4, NO2 и/или аэрозоль HNO3. В образце Hypogymnia physodes, собранном вдоль Тверского проспекта, обнаружены алкилнитраты. В спектре лишайника (25) имеется сильное поглощение при 1384 см–1, указывающее на загрязнение воздуха NO2 и/или аэрозоль HNO3 (рис. 3). Спектральный анализ лишайников собранных вдоль пр. Калинина и на пл. Гагарина показал наличие в них 2 соединений – алкилнитратов (1384 см–1) и сульфонов (1313, 781, 666 и 518 см–1). Появление сульфонов в лишайниках обусловлено деятельностью ТЭЦ-1 и ТЭЦ-4, которые в качестве топлива используют торф, мазут, в меньшей степени природный газ. Количественный анализ ИК-спектров образцов 26–27 показал разное содержание сульфонов. В образце 26 сульфонов больше (А1313/А2925 равно 1,16), чем алкилнитратов, а в образце 27, наоборот, больше алкилнитратов, чем сульфонов (А1313/А2925 равно 1,43). Разное расстояние ТЭЦ-1 от пр. Калинина, а также ТЭЦ-4 от пл. Гагарина определило различия в содержании сульфонов.
В районе функционирования ТЭЦ идентифицировано загрязнение воздуха SO2 и/или аэрозолем H2SO4. В образцах 28–31 обнаружены только сульфоны. Количественные расчеты ИК-спектров образцов 28–31 показали разное содержание сульфонов в лишайниках. Высокое содержание сульфонов характерно для образцов, собранных возле ТЭЦ-1, низкое – ТЭЦ-3. Основные причины различий в содержание сульфонов является срок эксплуатаций электростанций, структурное соотношение используемых видов топлива: торфа, угля, мазута, газа. Например, на самой старой ТЭЦ-1 (эксплуатация начата с 1912 г.) в качестве топлива преимущественно используют мазут, в меньшей степени природный газ. Относительно новые станции (ТЭЦ-3 и ТЭЦ-4) большую часть времени в году работают на природном газе.
Таким образом, с помощью спектрального анализа химического состава эпифитных лишайников удалось идентифицировать загрязнение воздуха, уточнить источники загрязнения, определить содержание поллютантов в лишайниках.
Рис. 3. ИК-спектры образцов Hypogymnia physodes, собранных в фоновой зоне (1) и на различных улицах города: 2 – Городском саду; 3 – пр. Калинина; 4 – Тверском пр.
Выводы
С помощью спектрального анализа установлен тип взаимодействия поллютантов с лишайниками. Хлорсодержащие соединения (HCl), а также их сочетание с HNO3 и H2SO4 высокотоксичны для лишайников. Эти поллютанты не накапливаются слоевищем. Под их действием происходит быстрое разрушение слоевища. Под действием HNO3, H2SO4, а также HNO3 и H2SO4 в слоевищах образуются алкилнитраты, сульфоны, или и то и другое вместе. Выяснено, что наилучшей индикационной способностью обладают среднеустойчивые к загрязнению виды – Hypogymnia physodes и Parmelia sulcata. В спектрах этих видов отмечены существенные изменения. Изменения в химическом составе сопряжены с внешними изменениями окраса, структуры слоевищ. Эти виды целесообразно использовать в практике мониторинга на территории урбоэкосистем.
С помощью спектрального анализа Hypogymnia physodes, собранного на территории г. Твери, идентифицированы изученные группы экотоксикантов – азот- и серосодержащие соединения. На загрязнение воздуха H2SO4 в районах функционирования указывает наличие в лишайниках сульфонов. Алкилнитраты в лишайниках, собранных вдоль автострад, свидетельствуют о загрязнении воздуха HNO3. Присутствие в воздухе аэрозолей HNO3 и H2SO4 характерно в районе дорог, проходящих вблизи ТЭЦ. В образцах обнаружены алкилнитраты и сульфоны. Степень удаленности автодорог от ТЭЦ определяет разное содержание данных типов соединений. Полученные данные эксперимента и полевых исследований позволяют существенно скорректировать методику мониторинга кислотного загрязнения с использованием Фурье-ИК спектрального анализа лишайников.
Рецензенты:
Тохтарь В.К., д.б.н., профессор, директор Ботанического сада, Фгаоу впо «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» (НИУ БелГУ), г. Белгород;
Виноградова Ю.К., д.б.н., главный научный сотрудник Фгбун «Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН», г. Москва.
Работа поступила в редакцию 03.09.2013.