Биоиндикация качества атмосферного воздуха урбанизированной территории с использованием метода сканирования поверхности талломов лишайников

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биоиндикация качества атмосферного воздуха урбанизированной территории с использованием метода сканирования поверхности талломов лишайников

Современная система мониторинга качества атмосферного воздуха является сочетанием различных методов, позволяющих объективно оценивать соответствие качества среды условиям, необходимым для нормальной жизнедеятельности живых организмов. Лихеноиндикация, являющаяся одним из направлений биоиндикационных исследований, основана на чувствительности как отдельных видов-индикаторов, так и сообществ к качеству окружающей среды. Отдельные показатели биоразнообразия лишайников (количество видов, обилие, встречаемость) довольно часто используются для оценки качества атмосферного воздуха [1, 2, 6, 7]. Урбанизированные территории отличаются крайне неоднородными условиями для произрастания лишайников, что выражается в дополнительных факторах, влияющих на их распространение. Таким образом, использование видового состава как диагностического признака атмосферного загрязнения весьма затруднено, ввиду неоднородности распределения лишайников. Одним из наиболее перспективных направлений лихеноиндикации является использование методов исследования, основанных на анатомо-морфологических показателях талломов. Морфологические изменения талломов являются визуально различимыми признаками и могут свидетельствовать о воздействии на лишайники поллютантов задолго до существенных изменений в видовом составе.

Изобретенные в 1982 г. сканирующие зондовые микроскопы являются мощным инструментом для исследования твердых тел в вакууме, на воздухе или в жидкости с атомарным разрешением. Первый атомно-силовой микроскоп (АСМ) был создан в 1986 г. Вскоре после этого появилось большое число статей, раскрывающих уникальные свойства АСМ для получения изображений в микро- и нано - масштабах [5, 8].

В данной работе нами впервые приводиться применение метода сканирующего зондового микроскопирования для исследования поверхности лишайников. Проведен анализ поверхности лишайников, произрастающих в зонах с разным уровнем загрязнения атмосферного воздуха.

Исследования проводились на территории г. Усолье-Сибирское (Иркутская область) в 2012 г. Ввиду равнинного положения территории, уровень поступления атмосферных поллютантов от предприятий является стабильно высоким в течение года. Отмечается повышенное содержание: бенз(а) пирена, формальдегида, диоксида азота и взвешенных веществ. Город был включен в Приоритетный список городов России с самым высоким уровнем загрязнения воздуха [3,4].

Исследование изменений морфологии талломов было проведено на умеренно толерантном к воздействию поллютантов лишайнике - Hypogymnia physodes (L.) Nyl. Данный лишайник широко распространен практически на всех древесных породах в различных типах леса и урбанизированных территориях юга Восточной Сибири. Проведенное исследование структуры сообществ с Hypogymnia physodes подтверждает устойчивость вида в урбоэкосистемах. Тем не менее, в буферной и импактной зонах отмечены многочисленные анатомо-морфологические отклонения от нормального облика лишайника.

Образцы Hypogymnia physodes были получены в 2012 г. с территории г. Усолье-Сибирское, окрестностей города и фоновой территории (Иркутский р-н, п. Большие Коты).

Образцы были закреплены на подложке (с помощью двустороннего скотча), стараясь избежать контакта предполагаемой области сканирования с окружающими телами, чтобы не повредить образец и не допустить дополнительного загрязнения поверхности. Изображения были получены на воздухе при температуре 24°С, относительной влажности воздуха 30% на ACM микроскопе Ntegra Prima (ЗАО «НТ-МДТ») в контактном режиме с использованием зондов серии СSG10, размеры снимков 15,03*15,03 мкм, 512*512 точек, шаг сканирования 29,35 нм. Площадь проекции 225,8815 мкм².

У образцов были определены такие параметры, как cредняя арифметическая шероховатость, асимметрия и удельная площадь исследуемой поверхности. Гистограмма плотности распределения значений 2D-функции показывает плотность распределения точек по высоте. На оси Х откладываются значения Z (высота точек) с определенным шагом Z_step, по оси Y откладывается число точек, расположенных в интервале от Z до Z_step.

Асимметрия - (третий центральный момент) характеризует несимметричность распределения 2D-функции. Если асимметрия отлична от нуля, значит распределение несимметрично. Для симметричного (относительно центра) распределения, асимметрия равна нулю. Таким образом, чем ближе значение к нулю, тем распределение более симметрично.

Данные, полученные в результате сканирования, позволяют построить карту распределения измеряемой величины и, воссоздать рельеф поверхности. В результате сканирования поверхности был выявлен типичный рисунок для поверхности этого лишайника, а также его изменение в импактной и буферной зонах (рис. 1).

На фоновых территориях поверхность лишайника представляет мелкие равномерно повторяющиеся впадины и бугорки, высота которых различается незначительно (см. рис. 1).

Увеличение степени атмосферного загрязнения приводит к уменьшению размеров талломов Hypogymnia physodes, изменению цвета до темно-серого, появлению некрозных повреждений. У этих же видов отмечено увеличение площади удельной поверхности за счет появления глубоких каверн (углублений), которые заполняются в условиях города сажей и пылью, что способствует нарушению физиологических процессов и дальнейшему разрушению талломов. Параметр «площадь удельной поверхности» сильно выделяет образцы с урбанизированных территорий, однако, различие между образцами с фоновых (Озеро Байкал) и буферных практически отсутствует.

Рис. 1. Морфологические изменения таллома Hypogymnia physodes на территориях с разным уровнем атмосферного загрязнения

сканирующий зондовый микроскопирование лишайник

Параметр «среднеарифметическая шероховатость» (рис. 2) наиболее четко проводит разграничение между образцами из разных зон. Коэффициент шероховатости увеличивается в импактной зоне, что вероятнее всего также связано с адсорбцией каких либо веществ на поверхности, и с разрушением поверхности таллома (таблица).

Усредненные показатели параметров таллома и поверхности в зонах с разным уровнем атмосферного загрязнением

Таким образом, из полученных данных видно, что изменение морфологии поверхности таллома происходит в два этапа:

1. Разрушается поверхность, образуются каверны, как следствие асимметрия уменьшается, то есть гистограмма плотности распределения значений 2D-функции становится практически симметричной (рис. 2, в). Удельная площадь поверхности изменяется незначительно (рис. 2, б). Коэффициент шероховатости увеличивается.

2. Вследствие адсорбции различных веществ из атмосферы, активно растет коэффициент шероховатости и удельная площадь поверхности. Асимметрия незначительно увеличивается. Корреляционный анализ позволяет устанавливать степень линейной взаимосвязи между выборками.

Одной из задач исследования было определение фактора, оказывающего наибольшее влияние на показатель шероховатости по коэффициенту регрессии. Для этого построили матрицу коэффициентов корреляции. Согласно полученным статистическим данным, умеренная прямая связь наблюдается (0,825) между увеличением ширины лопастей и среднеарифметической величиной шероховатости. Также сильные корреляционные связи имеются между показателями шероховатости площади поверхности, диаметром слоевищ, длиной и шириной лопастей, связь - сильная, прямая (0,990, 0,999).

Таким образом, полученные данные показывают, что сильные корреляционные связи существуют между всеми параметрами лишайника и структурой его поверхности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Статистические параметры поверхности лишайника Hypogymnia physodes в зонах с различным уровнем загрязнения атмосферного воздуха

В городских экосистемах, подверженных наибольшему влиянию атмосферных эмиссий, у лишайников наблюдаются дефекты и разрывы корового слоя, многократно увеличивающие площадь поверхности лишайника, и как следствие - адсорбцию поллютантов в межклеточном пространстве сердцевинной плектенхимы. Нарушение метаболических процессов у лишайников впоследствии проявляется в виде морфологических изменений: деформаций корового слоя и угнетения развития талломов.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что данные о состоянии поверхности талломов, полученные с помощью сканирующего микроскопа, позволят отслеживать ранние стадии деградации поверхности и могут служить одним из критериев оценки воздействия атмосферных эмиссий на живые организмы.

Библиографический список

сканирующий зондовый микроскопирование лишайник

1. Бязров Л.Г. Лишайники в экологическом мониторинге. - М.: Научный мир, 2002. - 336 с.

2. Бязров Л.Г. Сравнительный анализ трех способов лихеноиндикации качества воздушного бассейна // Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга: XI Междунар. симпозиум по биоиндикаторам (17-21 сентября 2001 г.). - Сыктывкар: Коми НЦ. - 2001. - С. 22-23.

3. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2010 году [Электронный ресурс]. - URL: http://www.irkobl.ru/sites/ecology //doklad2010.pdf (дата обращения: 1.04.2013).

4. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2011 году [Электронный ресурс]. - URL: http://www.irkobl.ru/sites/ecology //doklad2011.pdf (дата обращения: 1.04.2013).

5. Binnig G., Quate C.F., and Gerber C. Atomic force microscope // Phys. Rev. Lett. - 1986. 56. - pp. 930-933.

6. Herk C.M. Bark pH and susceptibility to toxic air pollutants as induces causes of changes in epiphytic lichen composition in space and time // Lichenologist. - 2001. Vol. 33. - P. 419-441.

7. Monitoring with lichens - monitoring lichens / Eds.: P.L. Nimis, Ch. Scheidegger, P.A. Wolseley. - Kluwer Academic Publ. - 2002. - 408 p.

8. Sedin D.L., Rowlen K.L. Influence of tip size on AFM roughness measurements // Applied Surface Science. - 182 (2001). - Р. 40-48.

Размещено на Allbest.ru