Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Спектроскопические методы в исследовании механизмов взаимодействия биоты и окружающей среды 10
1.1. Метод электронного парамагнитного резонанса 10
1.2. Метод оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой 17
1.3. Метод спектрофотометрии 20
1.4. Спектроскопические методы в изучении лишайников 23
ГЛАВА 2. Материалы и методики исследования 30
2.1. Объект исследования – лишайник Xanthoria parietina (L.) Th. Fr. 30
2.2. Физико-географическая характеристика мест сбора талломов лишайников 35
2.3. Методика сбора лишайников 40
2.4. Методика исследования парамагнитных свойств лишайников методом ЭПР-спектроскопии 41
2.5. Методика определения содержания металлов в талломах лишайников 47
2.6. Методика определения содержания пигментов в талломах лишайников 49
2.7. Методика вытяжки вторичных метаболитов из талломов лишайников 50
2.8. Методика регидратации талломов лишайников в лабораторных условиях 51
2.9. Методика трансплантации талломов лишайников 52
ГЛАВА 3. Парамагнитные центры и их корреляция с содержанием металлов в лишайниках 55
3.1. Исследование парамагнитных свойств лишайников и их связь с парамагнитными металлами 55
3.2 Исследование механизма ответной реакции трансплантированных лишайников 62
ГЛАВА 4. Парамагнитные центры и их взаимосвязь с содержанием пигментов в лишайниках 69
4.1. Исследование динамики концентраций парамагнитных центров и пигментов в талломах лишайников при регидратации 69
4.2. Оценка роли экранирующих пигментов в лишайниках 79
ГЛАВА 5. Применение результатов исследования лишайников в лихеноиндикации окружающей среды 84
5.1. Концентрация парамагнитных центров лишайников как показатель качества окружающей среды 84
5.2. Биомониторинг качества окружающей среды на основе концентрации парамагнитных центров трансплантированных лишайников 96
Выводы 103
Список работ, опубликованных по теме диссертации 105
Список литературы 109
- Метод оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой
- Физико-географическая характеристика мест сбора талломов лишайников
- Исследование механизма ответной реакции трансплантированных лишайников
- Биомониторинг качества окружающей среды на основе концентрации парамагнитных центров трансплантированных лишайников
Введение к работе
Актуальностью работы является решение одной из фундаментальных проблем биологии – изучение биофизических механизмов взаимодействия лишайников и окружающей среды.
Известно, что физико-химические факторы окружающей среды влияют
на физиологические процессы в талломах лишайников. В течение многих
лет ученые проводили исследования влияния различных химических
агентов на лишайники в лабораторных и естественных условиях. Однако,
лабораторные опыты позволяют выявлять только механизмы действия
конкретных агентов на лишайники. В природе лишайники всегда
подвергаются многофакторным воздействиям, при этом возникает эффект
комбинированного действия (синергизм) и поэтому исследования
метаболизма лишайников, произрастающих в естественных условиях, являются оптимальным подходом для оценки этого эффекта. Данная работа, направленная на расширение представлений об биофизических основах реакции лишайников, приобретает особое значение.
В настоящее время поиск информативных показателей для оценки
физиологического состояния лишайников ведется различными методами, в том
числе методом электронного парамагнитного резонанса, оптико-
эмиссионной спектрометрией с индуктивно связанной плазмой и спектрофотометрией. Применение данных физических методов направлено на выявление природы и механизма формирования парамагнитных центров в талломах лишайников под воздействием физико-химических факторов внешней среды.
Цель работы
Целью работы является выявление биофизических основ реакции лишайников на физико-химическое воздействие внешней среды, на примере лишайника Xanthoria parietina (L.) Th. Fr.
Задачи работы
1. Изучить парамагнитные свойства талломов лишайника для
понимания механизма их ответной реакции на воздействие внешней среды.
2. Провести анализ содержания металлов и изучить корреляцию между
их содержанием и концентрацией парамагнитных центров в талломах
лишайника.
3. Изучить связь между парамагнитными свойствами и пигментами
лишайника.
4. Разработать концепцию лихеноиндикации на основе парамагнитных
свойств лишайника.
Научная новизна
Выявлена природа и механизм образования парамагнитных центров в
талломах лишайника X. parietina. Установлено, что изменение концентрации
парамагнитных центров связано с интенсивностью окислительно-
восстановительных процессов в организме лишайника.
Выявлена связь между парамагнитными свойствами и пигментами
(хлорофиллами a, b, каротиноидами и антрахинонами) в талломах лишайника.
Установлено, что активация процессов метаболизма стимулирует
формирование парамагнитных центров в талломах лишайника.
Показана возможность эффективного использования данных по концентрации парамагнитных центров в талломах лишайника для оптимизации лихеноиндикации окружающей среды.
Научная и практическая значимость работы
Результаты диссертационной работы существенно расширяют
представления о механизмах ответной реакции лишайников на воздействие внешней среды.
Создана научная база данных по парамагнитным характеристикам лишайников на примере лишайника X. parietina, которая будет служить основой для лихеноиндикации окружающей среды физическими методами.
Создана шкала оценки качества окружающей среды по концентрации парамагнитных центров в образцах лишайника, которая актуальна для картирования территории городов и выявления зон, опасных для здоровья человека.
Результаты исследований используются при проведении занятий по учебным дисциплинам «Физико-химические методы исследования в биологии и экологии», «Экология», «Мониторинг окружающей среды» и «Безопасность жизнедеятельности».
Создана коллекция лишайников фоновых и урбанизированных территорий.
Положения, выносимые на защиту
Установлено, что парамагнитные характеристики спектра ЭПР лишайника X. parietina определяются как ионами парамагнитных металлов (широкий сигнал), так и радикалами семихинонного типа (узкий сигнал).
Методом оптико-эмиссионной спектрометрией выявлено, что
содержание железа на порядок превышает содержание марганца и меди, чем объясняется перекрывание сигналов ионов марганца и меди более интенсивным сигналом ионов железа в линиях спектра ЭПР лишайника.
Установлено, что увеличение концентрации парамагнитных центров в
высушенных талломах лишайника в ходе восстановления их процессов
метаболизма путем регидратации соответствует росту содержания
фотосинтетических пигментов.
Показано, что повышение уровня загрязнения атмосферного воздуха приводит к увеличению концентрации ионов Fe3+ и концентрации радикалов семихинонного типа в талломах лишайника.
Разработана новая концепция лихеноиндикации на основе обнаруженной положительной корреляции между концентрацией парамагнитных центров в талломах лишайника и уровнем загрязнения атмосферного воздуха, которая позволяет связать известные критерии оценки качества воздуха с полученными данными.
Апробация работы. Основные результаты диссертации представлены
на международных и российских научных конференциях: V
Международной научно-практической конференции «Научные перспективы
XXI века, достижения и перспективы нового столетия» (Новосибирск,
2014); 57-й, 59-й Научной конференции МФТИ с международным участием
(Долгопрудный, 2014, 2016); Международной конференции молодых
ученых «Экспериментальная и теоретическая биофизика» (Пущино, 2015);
X, XI Международной научно-технической конференции «Актуальные
вопросы биологической физики и химии» (Севастополь, 2015, 2016); V, VI
Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные
вопросы химической технологии и защиты окружающей среды»
(Чебоксары, 2015, 2016); XXII Всероссийской научной конференции
студентов-физиков и молодых ученых (Ростов-на-Дону, 2016); Всероссийском
семинаре с международным участием «Радиационная и промышленная
экология» (Ростов-на-Дону, 2016); Международной научной конференции
студентов, аспирантов и молодых учных «Ломоносов-2016» (Москва, 2016);
Международной научно-технической конференции «Системы контроля
окружающей среды — 2016» (Севастополь, 2016); VII Межрегиональной
научно-практической конференции с международным участием
«Безопасность жизнедеятельности: наука, образование, практика» (Южно-Сахалинск, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 17 работ, в том числе три статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, девять работ в реферированных трудах и материалах конференций, пять тезисов в сборниках докладов конференций.
Результаты исследования отражены в научной работе, удостоенной дипломом победителя конкурса научных работ молодых ученых на 59-й научной конференции МФТИ с международным участием в 2016 году.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Объем диссертации — 140 страниц, включая 37 рисунков и 23 таблицы. Список литературы включает 192 источника, в том числе 88 на отечественном языке и 104 на иностранном языке.
Метод оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой
Свободные радикалы в лекарственных растениях, таких как дикорастущий цикорий, одуванчика, родиола холодная и донник лекарственный, изучены с помощь метода ЭПР-спектроскопии (Марупов и др., 2012; Юсупов и др., 2012; 2013; 2015). Было отмечено, что количество свободных радикалов, содержащихся в биохимическом составе различных органов (корневищ, стеблей, листьев и лепестков цветков) растений, различается между собой. Накопление свободных радикалов в организмах растений зависит от экологических условий местопроизрастания, что может быть следствием воздействия внешних факторов, например, интенсивности УФ-излучения, радиоактивных элементов в почвах и климатических условий данных территорий (Юсупов и др., 2012, Марупов и др., 2012).
В образцах лекарственных растений (коры дуба, шелухи репчатого лука и их водных экстрактов) методом ЭПР было установлено наличие различных видов ПМЦ. Первый вид, обусловливающий узкий сигнал ЭПР с шириной линии 0,6 мТл и g = 2,0051, отнесен к радикалам семихинонного типа. Второй вид ПМЦ характеризуется шестикомпонентным сигналом в области g = 2,003 с константой разрешенной сверхтонкой структуры Аср = 9,2 ± 0,5 мТл. Он принадлежит ионам Mn2+. Третий вид ПМЦ также обусловлено ионами Mn2+, которые характеризуются сигналом ЭПР с шириной линии 50 мТл и g = 2,00. Четвертый вид ПМЦ, описывающийся широким сигналом с шириной линии 68 мТл и g = 2,11, индентифицирован как ионы Fe3+. Изучение формирования малоактивных долгоживущих радикалов семихинного типа позволяет оценить антиоксидантную способность фенолов и полифенолов в исследуемых образцах. Результаты данных исследований использованы для оптимизации условий изготовления и хранения растительных экстрактов при производстве лекарственных препаратов (Богушевич, Матвейчук, 2009). В экологических исследованиях метод ЭПР-спектроскопии находит широкое применение в исследованиях различных биогенных материалов, таких как компост, осадок сточных вод, почва, торф и бурые угли. В исследовании парамагнитных свойств подстилки и почвы хвойных лесов методом ЭПР-спектроскопии были обнаружены сигналы ЭПР со значением g = 2,0039 ± 0,0003, который отнесен к радикалам фенольного типа. Сигналы ЭПР почвенных образцов очень слабо выражаются. В частности, их интенсивность на 1-2 порядка меньше, чем в образцах опад-подстилка. По полученным данным было установлено, что аллеллопатическое воздействие опадов в хвойных лесах осуществляется при участии свободнорадикальных производных фенольных соединений и количество свободных радикалов в исследуемых образцах зависит от степени перекрывания площадей питания деревьев (Гарифуллина, 2009).
Методом ЭПР-спектроскопии было проведено исследование парамагнитных свойств гуминовых кислот и фульвокислот, выделенных из компостированного материала. Установлено, что парамагнетизм гуминовых веществ со значениями g = 2,0042 (для фульвокислот) и g = 2,0034 (для гуминовых кислот) обусловлен свободными радикалами семихинононного типа (Jezierski et al., 1998; Jezierski et al., 2002). Процессы трансформации органического вещества в почвах и компостах связаны со свободнорадикальными реакциями (Стригуцкий и др., 2013; Saab, Martin-Neto, 2008; Jezierski et al., 1998; 2002; Jerzykiewicz et al., 1999). Значение g-фактора используется в качестве показатели степени трансформации органических веществ в биогенных материалах (Jezierski et al., 2002).
С помощью метода ЭПР была исследована термическая стабильность органо-минеральных соединений глеевых почв, собранных в городе Рио-де-Жанейро. Было отмечено полное исчезновение сигнала ЭПР при температуре около 600 С для твердой фракции размером 2 м, однако для фракций размером 2-20 м и 20-53 м наблюдаются сигналы ЭПР семихинонных свободных радикалов при той же температуре. Кроме того, во фракциях размером 2-20 м обнаруживается наиболее высокая концентрация свободных семихинон-радикалов по сравнению с другими фракциями. Это свидетельствует о том, что органическое вещество фракции почвы 2-20 м является более стабильным, чем другие фракции (Saab, Martin-Neto, 2003).
Методом ЭПР-спектроскопии были исследованы парамагнитные свойства сфагновых мхов, собранных на территориях нефтяного месторождения. Был зафиксирован сигнал ЭПР со значением g-фактора g = 2,0028, который характерен для полициклических углеводородов, входящих в состав основных компонентов загрязнения на данных территориях. Результаты исследования показали, что интенсивность спектра ЭПР образцов в загрязненной зоне больше, чем в фоновой зоне (Тентюков, 2008).
Метод ЭПР-спектроскопии применяется для изучения влияния радиационного излучения на содержание наночастиц магнетита, аккумулирующихся в организмах высших растений. Наночастицы магнетита характеризуются широким сигналом ЭПР со значением полуширины сигнала 32 мТл и g = 2,38. Результаты работы показали, что амплитуда сигнала ЭПР образцов, собранных на территориях радиоактивного загрязнения (170 и 220 мкР/ч) значительно уменьшается по сравнению с образцами, собранными на незагрязненной территории (10 мкР/ч). Данное изменение обусловлено двумя причинами: во-первых, ослаблением способности корневой системы включать в себя агрегаты железа; во-вторых, реакцией наночастиц магнетита с различными активными агентами, образующимися в организмах растений при их радиационном облучении, например, с активными формами кислорода (Халилов и др., 2011).
Методом ЭПР-спектроскопии изучены парамагнитные свойства различных таксонов биоты растительного происхождения, таких как гриб, водоросль, мох, высшее растение и лишайники. В изучаемых образцах зарегистрированы характерные линии спектра ЭПР с двумя сигналами: узкий сигнал (g = 2,0032 2,0040) и широкий сигнал (g= 2,1-2,2). Было установлено значительное превышение интенсивности широкого сигнала спектра ЭПР листоватого лишайника Xanthoria parietina (L.) Th. Fr и кустистого лишайника Cladonia stellaris (Opiz) Pouzar & Vzda в сравнении с остальными образцами (Журавлева и др., 2013). На основе соотношения интенсивности широкого сигнала {J\) к интенсивности узкого сигнала (J2) спектра ЭПР лишайников были выявлены две индикаторные группы лишайников: для лишайников Phiscia stellaris и X parietina — JIJ2»\, а для лишайников Parmelia sulcata и Hypogymma physodes — JIJ\ « 1. Среди исследованных видов лишайников количество ПМЦ в образцах лишайника P. stellaris, являющегося наиболее толерантным видом, в 11 раз больше числа ПМЦ лишайника Я. physodes, являющегося самым чувствительным видом. Результаты этого исследования подтвердили закономерность распределения лишайников по шкале полетолерантности (Журавлева и др., 2013, Бондаренко, 2013).
Физико-географическая характеристика мест сбора талломов лишайников
Климат города Дубна умеренно-континентальный, зима продолжительная и сравнительно холодная, лето умеренно теплое. Иваньковское водохранилище и река Волга, болотные системы, лесные массивы оказывают большое влияние на климат города. Самым холодным месяцем года является январь (средняя температура: -10,7 С), самым теплым месяцем - июль (средняя температура: +17,8 С). Самая высокая влажность отмечается в декабре, январе (86 %), самая низкая влажность — в мае (67%). Среднегодовая сумма осадков составляет 783 мм.
Город Дубна относится к Верхневолжскому эколого-экономическому району Московской области. Экологическая обстановка на основной территории характеризуется как благоприятная для проживания населения. Загрязнения воздуха имеют низкие показатели. Медико-экологические показатели удовлетворительные. Загрязнения локальны, в пределах допустимого уровня воздействия. Природные экосистемы чувствительны к техногенным нагрузкам, но сохранили большой природно-ресурсный потенциал для самовосстановления и очищения (Информационный выпуск…, 2016). Суммарный объем валовых выбросов в атмосферу города в среднем составляет 1500 т/год, в том числе выбросы от автомобильного транспорта составляли 60 % от общего количества выбросов (Годовой отчет…, 2010).
Город Долгопрудный (5556 с. ш. 3730 в. д.) — город областного подчинения Московской области, который располагается в 20-ти километрах к северу от города Москва. Город находится на берегу Клязьминского водохранилища и канала имени Москвы. Долгопрудный занимает территорию 30,5 км2, на которой проживает 94 989 человек (2013 г.).
Климат города умеренно-континентальный. Влияние арктических холодных масс воздуха сказывается в зимний период, когда отмечаются сильные похолодания, и в весенне-летний период, когда наблюдаются «возвраты холодов», при которых происходит понижение температуры, иногда до заморозков. Самый теплый месяц - июль, наиболее холодный месяц - январь, среднегодовая температура равна +5,6 С. Среднегодовое количество осадков составляет 696 мм.
Наибольшее количество осадков выпадает в течение мая-сентября. Гидрографическая сеть территории города Долгопрудный представлена каналом имени Москвы, Клязьминским водохранилищем, речкой Бусинкой, ручьем Долгим. Качество атмосферного воздуха города Долгопрудный определяется воздействием выбросов загрязнителей окружающими предприятиями промышленности, энергетики и транспорта, в том числе доля транспорта составляет 80 % (Информационный выпуск…, 2016).
Город Нижний Новгород (5620 c. ш. 4357 в. д.) расположен в центральной европейской части России. Город является административным центром Приволжского федерального округа и Нижегородской области. Город занимает территорию 410,7 км, на которой проживает 1 259 921 человек (2013 г.) (Ежегодник «состояние загрязнения атмосферы…», 2014).
Город расположен при слиянии двух крупнейших рек Волги и Оки. Территория города разделяется Окой на две части: восточную возвышенную Нагорную, расположенную по правым берегам Оки и Волги на северо-западной оконечности Приволжской возвышенности — Дятловых горах, и западную (по левому берегу Оки и правому берегу Волги) низинную, заречную. Город Нижний Новгород — важный экономический, промышленный и культурный центр России, крупнейший транспортный узел и правительственный центр Приволжского федерального округа (Ежегодник «состояние загрязнения атмосферы…», 2014).
Климат в городе Нижний Новгород умеренно континентальный, с холодной продолжительной зимой и теплым, сравнительно коротким летом. Из-за различий рельефа местности в заречной части города теплее, чем в нагорной части, осадков на ней в среднем за год выпадает на 15 - 20 % больше. Средние месячные многолетние температуры в низинных районах изменяются от -11,6 C в январе до +18,4 C в июле, в нагорных районах от -12 C в январе до +18,1 C в июле. Среднегодовая температура — +4,8 C; скорость ветра — 2,8 м/с; влажность воздуха — 76 % (Нижний Новгород…, 2015).
Город Нижний Новгород характеризуется высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха, связанным с выбросами от автомобильного транспорта (79 %) и объектов промышленности. За 2013 год суммарный объем валовых выбросов в атмосферу города составил 129,4 тыс.т. Основные источники атмосферного загрязнения: предприятия нефтехимической, строительной отрасли промышленности, машино- и автомобилестроения (ОАО «ГАЗ»), тепловые электростанции (ООО «Автозаводская ТЭЦ», Сормовская ТЭЦ, ОАО «Теплоэнэрго»), железнодорожный и автомобильный транспорт (Ежегодник «состояние загрязнения атмосферы …», 2015).
Сбор лихенологического материала проводился по общепринятым методикам (Солдатенкова, 1977; Патент РФ № 2260934 С1, 2005). Выбор площадки сбора лишайников сделан на основе геоботанического подхода: на каждых исследуемых территориях были заложены не менее 10 пробных площадок размером 2525 м2, на котором исследовали 5-10 деревьев с равными диаметрами стволов. Талломы лишайника были собраны со стволов форофитов Populus nigra L., Tilia Cordata Mill. и Ulmus glabra Huds. на высоте двух метров от уровня почвы с помощью острого скальпеля. При сборе отбирали образцы лишайника не менее четырех сантиметров в диаметре, находящиеся в средневозрастном генеративном состоянии, с характерными морфологическими признаками: со скученными апотециями в центральной части таллома (рис. 2.6) (Суетина, 1999).
Собранные талломы лишайника помещались в пронумерованные бумажные пакеты. При этом, в дневнике указывались следующие данные: дата и место сбора, вид и высота дерева, диаметр и наклон ствола, экспозиция, общая площадь покрытия лишайников и доля покрытия каждого вида отдельно. Поврежденные в ходе сбора лишайники не анализировались и не включались в исследование.
Метод ЭПР-спектроскопии основан на эффекте Зеемана. Согласно этому эффекту при введении парамагнитной частицы с квантовым числом S в постоянное магнитное поле Я, ее основной энергетический уровень расщепляется на 2S + 1 подуровни. Данные подуровня соответствуют различным проекциям суммарного спина S в направлении вектора Н (Блюменфельд и др., 1962). В случае парамагнитной частицы с одним неспаренным электроном, его энергетический уровень расщепляется на два подуровня с интервалом энергии ЛЕ (рис 2.7):
Исследование механизма ответной реакции трансплантированных лишайников
Процесс метаболизма лишайников зависит в значительной мере от влажности воздуха. По литературным данным лишайники, как пойкилогидридные организмы, способны переносить длительное высыхание (Вайнштейн, 1972; Honegger, 2003). Уменьшение содержания воды в талломах сопровождается снижением интенсивности жизненных процессов. Тем не менее, лишайники обладают устойчивостью к обезвоживанию, и при концентрации воды в организме ниже десяти процентов они выживают в метаболически неактивном состоянии (Alpert, 2000; Honegger, 2003; Хебер и др., 2007). Недостаток содержания воды в талломах вызывает как сморщивание клеток, так и деформирование клеточных органелл и мембранных систем клеток (Honegger, 1995; 1998; 2008). Устойчивость лишайников к обезвоживанию обусловлена тем, что в их клетках содержатся полиолы: рибит, арабит и манит, а также нередуцирующие сахара: трегалоза и сахароза. Эти соединения могут замещать воду, стабилизировать белки и мембраны клеток лишайников в сухих условиях, а при регидратации структуры клеток и процессы метаболизма восстанавливаются (Alpert, 2000; Honegger, 2003; Хебер и др., 2007, Beckett et al., 2008).
Был проведен эксперимент по изучению влияния абиотических факторов окружающей среды на лишайник в условиях изменения влажности воздуха путем искусственного увлажнения в течение семи недель. В эксперименте использовали гербарные высушенные образцы X. parietina, которые после сбора 11 месяцев хранили в помещении в закрытых бумажных конвертах при комнатной температуре. Восстановление процессов метаболизма в лишайнике проводили путем регидратации дистиллированной водой в течение семи недель. Для оценки восстановления этих процессов было проведено исследование пигментов фотосинтетического аппарата водоросли, так как фотосинтез служит источником углеводов и, следовательно, играет ключевую роль в регуляции процессов жизнедеятельности лишайника (Friedl, Bdel, 2008). Было установлено, что сумма содержания хлорофиллов a и b в фотобионте сначала увеличивается от (1,26 ± 0,14) мкг/мг до (2,10 ± 0,11) мкг/мг, достигнув максимума к концу четвертой недели (рис. 4.1).
По литературным данным, клетки фотобионта делятся, продолжая находиться в тесном контакте с гифами микобионта. Клетки фотобионта растут, достигая размера порядка 10 мкм в диаметре, после чего начинается клеточное деление. Содержимое клетки делится, давая четыре автоспоры. При этом внутри материнской клетки каждая новая клетка образует собственную клеточную стенку. Затем гифа гриба проникает через клеточную стенку материнской клетки фотобионта и растет между автоспорами, образует четыре веточки и выталкивает четыре клетки, после чего цикл возобновляется. Этот процесс способствует росту ткани таллома лишайников (Hill, 2001). Сопоставление полученных результатов с известными литературными данными показало, что увеличение содержания хлорофиллов до максимального значения в талломах лишайника к концу четвертой недели связно с самой высокой скоростью деления клеток фотобионта в этот период (рис. 4.2) (Gasulla, 2009).
Хлорофилл a входит в состав реакционных центров фотосистемы I и II и светособирающих комплексов (ССК), а хлорофилл b содержится исключительно в ССК. ССК выполняют функцию первичного поглощения квантов света с последующей передачей энергии возбуждения на реакционные центры фотосистемы I и II. Получив поглощенную ССК энергию, хлорофилл переходит в возбужденное состояние, запуская начало цепочки химических реакций фотосинтеза (Холл, Рао, 1983). Соотношение хлорофиллов a и b (Хл a/b) — одна из характеристик для оценки доли хлорофиллов в ССК фотосинтетического аппарата (Lichtenthaler, Buschmann, 2001; Макаров, 2010).
Установлено, что соотношение Хл a/b уменьшается в два раза к концу пятой недели, а затем увеличивается до исходного значения (табл. 4.1). Уменьшение этого показателя указывает на рост содержания хлорофиллов в ССК и, соответственно, увеличение размеров ССК, что способствует более эффективному использованию световой энергии в фотохимических реакциях
Отметим, что большой разброс значений стандартных отклонений в измеренных величинах связан с неоднородностью микроусловий места обитания (наклон ствола, экспозиция таллома лишайника, возраст таллома и т.д.). Для исследования невозможно собрать абсолютно идентичные образцы, поскольку каждый экземпляр представляет собой неповторимый живой объект. Мы только можем стандартизировать места и время сбора образцов по определенной известной методике (Солдатенкова, 1977; Патент РФ № 2260934 С1, 2005).
Биомониторинг качества окружающей среды на основе концентрации парамагнитных центров трансплантированных лишайников
Таким образом, по результатам исследования доказана эффективность методов ЭПР-спектроскопии и ИСП-ОЭС в лихеноиндикации окружающей среды городов. Изменение парамагнитных свойств лишайников определяется качеством атмосферного воздуха. В частности, увеличение значения концентрации ПМЦ связано с изменением содержания металлов в талломах лишайника. Важным преимуществом применения методов ЭПР-спектроскопии и ИСП-ОЭС в лихеноиндикации окружающей среды является то, что с помощью данного подхода можно оценить качество окружающей среды на любых территориях, в том числе и на территориях, где отсутствуют станции контроля состояния атмосферы.
Загрязнение окружающей среды вызывает изменения физиологических процессов в организме лишайников, например, изменения дыхательной активности и фотосинтетического аппарата. Данные изменения проявляются в тех случаях, когда концентрация загрязняющих веществ, накапливающихся в лишайниках, превышает их способность к детоксикации. Это может приводить к гибели талломов лишайников и образованию «лишайниковых пустынь» на урбанизированных территориях (Nylander, 1851; 1875). В экологическом мониторинге окружающей среды, наряду с методами «пассивного» мониторинга, т.е. исследование естественно растущих лишайников, также широко используется метод «активного» мониторинга, который предполагает изучение трансплантированных лишайников (Pearson, 1993; Бязров, 2002). Метод трансплантации лишайников заключается в перемещении неповрежденных лишайниковых талломов одного вида с территорий, где вид встречается обильно в места, где необходим мониторинг загрязнения окружающей среды. Преимущества этого метода заключаются в следующем: возможность размещения талломов лишайников во всех местах, где желателен мониторинг качества воздуха; во всех тестируемых точках размещаются сравнительно однородные образцы, собранные вместе с информацией об их исходных местообитаниях, что позволяет более обоснованно интерпретировать результаты; возможность выбора лучшего варианта эксперимента для изучения конкретных местообитаний и реакций представителей тех или иных видов лишайников (Бязров, 2002).
В данном исследовании трансплантация осуществлялась путем помещения образцов лишайника на фоновой территории, находящейся вдали от автомагистралей и промышленных объектов (55593.33 с.ш. 373041.16 в.д.), и на урбанизированной территории с высокой интенсивностью движения автотранспорта (555522.57 с.ш. 373144.15 в.д.) в течение четырех недель.
Для фоновой территории было показано, что концентрация ПМЦ узкого сигнала в образцах трансплантированного лишайника увеличивается к концу второй недели эксперимента, а к концу четвертой недели их концентрация возвращается к начальному значению. Изменение концентрации ПМЦ узкого сигнала в образцах лишайника фоновой зоны связано с адаптационной реакцией организма на новое местообитание. Различие в реакции лишайника обусловлено не абсолютной идентичностью исследуемых образцов и индивидуальной особенностью их метаболизма. Концентрация ПМЦ широкого сигнала лишайника остается стабильной в течение всего периода эксперимента, и ее среднее значение составляет (2,6 ± 0,4) 1017 спин/мг (табл. 5.5). На урбанизированной территории концентрация ПМЦ обоих сигналов спектра ЭПР изменяется сходным образом, причем носит волнообразный характер. Концентрация ПМЦ узкого сигнала в образцах трансплантированного лишайника возрастает в 3,4 раза к концу первой недели и в 3,3 раза к концу третьей недели; уменьшается в 1,2 раза к концу второй недели и в 1,3 раза к концу четвертой недели эксперимента относительно начального значения.
Концентрация ПМЦ широкого сигнала в образцах трансплантированного лишайника увеличивается в 1,2 раза к концу первой недели, в 1,4 раза к концу третьей недели эксперимента, и уменьшается в 2,6 раза и в 1,9 раза к концу второй и четвертой недели по сравнению с начальным значением (табл. 5.5).
Концентрация парамагнитных центров узкого (N1) и широкого (N2) сигнала ЭПР в образцах трансплантированного лишайника X. parietina Концентрация ПМЦ Территория 0-я неделя 1-я неделя 2-я неделя 3-я неделя 4-я неделя (х1012спин/мг) Урбанизированная 2,7±0,5 9Д±0,4 2,2±0,2 8,8±0,3 2Д±0,5 фоновая 2,7±0,5 6,7±0,6 2,7±0,5 2(хЮ17спин/мг) Урбанизированная 2,6±0,4 ЗД±0Д 1,0±0,3 3,7±0Д 1,4±0,1 фоновая 2,6±0,4 2,6±0,2 2,6±0,7 Сопоставление полученных данных с предложенными критериями, приведенными выше, показало достоверность оценки качества воздуха с помощью применения трансплантированного лишайника. Например, уровень загрязнения атмосферного воздуха на фоновой территории оценивается как «низкий» по значению концентрации ПМЦ широкого сигнала лишайника. На урбанизированной территории, данный уровень оценивается как «повышенный» по концентрации ПМЦ широкого сигнала (к концу третьей недели) и как «высокий» по значению концентрации ПМЦ узкого сигнала лишайника. Можно отметить, что изменение качества окружающей среды может оцениваться на основе результатов измерений как концентрации ПМЦ узкого сигнала, так и концентрации ПМЦ широкого сигнала в образцах лишайника.
На урбанизированной территории на образцы трансплантированного лишайника оказывают влияние не только абиотические факторы, но и биотические (антропогенные) факторы, которые обусловлены разными видами загрязнений окружающей среды, содержащих органические и неорганические соединения. У талломов лишайников нет восковой кутикулы и внешнего слоя для защиты организма от воздействия факторов внешней среды. Вся поверхность талломов в течение суток открыта для поглощения химических веществ, находящихся в атмосферном воздухе. Это подтверждают данные по накоплению металлов в образцах трансплантированного лишайника, полученные методом ИСП-ОЭС. Например, увеличение в восемь раз концентрации меди в образцах лишайника на урбанизированной территории к концу третьей недели свидетельствует об изменении качества окружающей среды (табл. 5.6).
Уменьшение содержания магния к концу третьей недели эксперимента свидетельствует о нарушении фотосинтетической системы трансплантированного лишайника на урбанизированной территории. Это сопровождается вымыванием магния из талломов лишайников (Malhotra, 1977; Garty, 2001). В эксперименте Гарти с соавтором было обнаружено значительное накопление железа в аскоспорах микобионта лишайника, что сопровождалось вымыванием магния из талломов (Garty, Delarea, 1991). В исследовании Копцика и соавторов также было обнаружено, что понижение содержания магния обусловлено его вытеснением загрязняющими веществами, например, железом, медью (Копцик и др., 2016).
Результаты многих исследований также показывали превышение содержания металлов в талломах лишайников, собранных на урбанизированной территории, по сравнению c фоновым содержанием (рис. 5.6) (Nimis et al., 2000; Красногорская и др., 2012; Demiray et al., 2012). Так, например, на урбанизированной территории республики Башкортостаны России в талломах лишайника P. sulcata наблюдалось увеличение содержания Fe в 10,8 раза, содержания Mn в 1,7 раза и содержания Cu в 10,7 раза по сравнению с фоновым значением (Красногорская и др., 2012). В талломах лишайника X. parietina на урбанизированной территории отмечено увеличение содержания данных металлов по сравнению с фоновой территорией, а именно: для образцов в провинции Винето Италии содержание Fe увеличивалось в 12,2 раза, Mn — в 4,5 раза и Cu — в 13,3 раза. Для талломов лишайника X. parietina в Косаели Турции содержание Fe в 10,6, Mn — в 25,5 раза и меди — в 86,8 раза больше, чем фоновое значение (рис. 5.7) (Nimis et al., 2000; Красногорская и др., 2012; Demiray et al., 2012).