Трансплантационная лихеноиндикация выбросов Красноярского алюминиевого завода

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

в форме дипломной работы

ТРАНСПЛАНТАЦИОННАЯ ЛИХЕНОИНДИКАЦИЯ ВЫБРОСОВ КРАСНОЯРСКОГО АЛЮМИНИЕВОГО ЗАВОДА

Введение

В настоящее время одной из глобальных проблем человечества является загрязнение окружающей среды. Наиболее остро эта проблема стоит в крупных промышленных центрах, так как там находится большое количество предприятий, выбросы которых значительно загрязняют атмосферу. Город Красноярск это крупный промышленный центр, который является городом с высоким уровнем загрязнения атмосферы и входит в «приоритетный список городов России с наибольшим уровнем загрязнения воздуха». Значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха города вносят предприятия цветной металлургии и электроэнергетики. В Красноярске основными предприятиями-загрязнителями атмосферы являются ОАО «Красноярский алюминиевый завод», АООТ «Красноярская ГРЭС-2», Красноярская ТЭЦ-1, Красноярская ТЭЦ-2 и Красноярская ТЭЦ-3. Поэтому для Красноярска актуальна разработка методов контроля степени загрязнения атмосферного воздуха. Все более распространенными становятся методы биологического контроля, так как они достаточно надежны и не требуют больших затрат, а в сочетании с физико-химические методами анализа наиболее полно характеризуют состояние исследуемой территории.

Лишайники являются одними из наиболее перспективных тест - объектов для биоиндикации воздушной среды, так как эти организмы наиболее чувствительны к загрязнению воздуха. На этой их особенности и основан метод лихеноиндикации - определения степени загрязнения атмосферного загрязнения с применением лишайников как организмов-индикаторов.

Традиционно при трансплантационной лихеноиндикации образцы в исследуемом районе находятся довольно долго - от полгода до нескольких лет [5; 31; 37; 39]. Столь длительный период экспонирования обусловлен медленным ростом этих организмов, что не позволяет в более короткие сроки обнаружить различия в состоянии трансплантатов. Как показали исследования, выполненные на кафедре экотоксикологии и микробиологии СФУ [12], эта проблема успешно решается при помощи измерения замедленной флуоресценции (ЗФ) хлорофилла водорослевого компонента лишайникового трансплантата.

Данный метод позволяет уже после относительно короткого времени экспонирования определять степень угнетения фотосинтетической активности фикобионта лишайника на загрязненной территории. Это дает возможность значительно сократить длительность экспериментов по лихеноиндикации загрязнения воздушной среды.

Однако практическое применение метода измерения замедленной флуоресценции в лихеноиндикации пока ограничивается отсутствием серийно выпускаемого оборудования и недостаточной разработанностью отдельных элементов. Также отсутствует опыт применения метода измерения ЗФ лишайниковых трансплантатов при изучении пространственного распределения загрязнителей конкретного промышленного предприятия.

Цель данной работы - изучение характера изменения ЗФ лишайников после их трансплантации в зоне выбросов Красноярского алюминиевого завода с помощью метода измерения замедленной флуоресценции хлорофилла.

В задачи данной работы входило:

1. Сбор, сортировка и подготовка для трансплантации образцов двух видов лишайников.

2. Оценка степени воздействия атмосферных выбросов Красноярского алюминиевого завода на трансплантированные образцы лишайники в зависимости от удаленности от предприятия с помощью метода измерения ЗФ.

1. Обзор литературы

1.1 Особенности физиологии и экологии лишайников

экология лишайник флуоресценция хлорофилл

Высокая чувствительность лишайников к атмосферному загрязнению, являющаяся основой метода лихеноиндикации, обусловлена некоторыми особенностями их морфологии, физиологии, биохимии и экологии.

Лишайник -- симбиотический организм, состоящий из водоросли (фикобионт) и гриба (микобионт) при колоссальном доминировании последнего. В формировании лишайниковых талломов разных видов участвуют: 21 род зеленых водорослей, 11 родов сине-зеленых водорослей (наиболее широко распространенным фикобионтом лишайников является водоросль Trebouxia) и грибы, в основном аскомицеты [15, 35].

Чувствительность лишайников к загрязняющим веществам в известной степени зависит от их жизненной формы [35]. Различают три основных типа жизненных форм слоевищ лишайников: кустистые, листоватые и накипные. Наиболее толерантны к воздействию загрязнителей накипные виды, далее идут листоватые и самые чувствительные - кустистые. Такая зависимость, хотя и не строгая для всех видов, объясняется расширением абсорбционной поверхности по мере увеличения расчленённости таллома [12]: то есть чем большая часть таллома лишайника экспонируется на воздухе, тем чувствительнее будет вид.

Все лишайники обладают общими физиологическими и экологическими особенностями - все в той или иной степени подвержены действию различных внешних факторов [35].

Но больше всего лишайники чувствительны к наличию в окружающем воздухе посторонних химических веществ. Сильно загрязненную атмосферу городских и промышленных районов они практически не переносят [1, 19, 32]. Причины малой устойчивости лишайников к атмосферным загрязнениям являются такие особенности морфофизиологии лишайников, как большая продолжительность жизни отдельного таллома и подверженность влиянию загрязнителя круглогодично, отсутствие покровных тканей и органов газо - и водообмена, малая способность к авторегуляции, способность концентрировать в талломе загрязнители при высыхании, требовательность к кислотности субстрата, сильная зависимость от физико-химических свойств среды и невозможность избавиться от токсичных веществ [1].

1.2 Лишайники и лихеноиндикация в изучении степени загрязнения воздушной среды

Широкое исследование лишайников началось одновременно с возникновением и развитием метода лихеноиндикации - определения степени загрязнения атмосферного загрязнения с применением лишайников как организмов-индикаторов. Его суть составляет изучение и районирование загрязнений при помощи лишайников [12, 31].

Известно две формы лихеноиндикации - пассивная, когда оценивается состояние объекта в месте его произрастания и активная (трансплантационная), когда объект вносится в тестируемый район [33, 35].

При пассивной форме лихеноиндикации основным источником информации для мониторинга лишайников служит систематическое обследование заповедников, расположенных в фоновых относительно загрязнения атмосферы районах. Собираемые по единым методикам данные об эпифитных лишайниках, растущих на деревьях основных лесообразующих пород, составляют основу для последующего получения оценок состояния эпифитной лихенофлоры того или иного заповедника. Эти оценки суть значения специальных показателей состояния эпифитной лихенофлоры в соответствующие периоды времени [18]. Для количественного описания эпифитной лихенофлоры в основном используется метод сеточек-квадратов.

При активной форме лихеноиндикации используется пересадка организмов из одних условий и географических пунктов в другие. Этот прием позволяет исследовать любую территорию вне зависимости от наличия на ней лишайников. Трансплантационная лихеноиндикация может применяться для оценки степени атмосферного загрязнения крупных промышленных центров, которые стали в настоящее время зонами «лишайниковых пустынь» [12]. Трансплантация является широко используемым и старым методом изучения их приспособленности к «чужим» или экстремальным условиям жизни.

Трансплантационная лихеноиндикация, несомненно, является надежным методом слежения за загрязненностью атмосферного воздуха. Это доказано многими исследованиями [1; 5; 31]. Но этот метод, сравнительно мало используется в России, зато очень часто применяется зарубежными исследователями [37; 38; 39].

1.3 Действие основных загрязнителей на лишайники

Одним из наиболее широко распространенных загрязняющих атмосферу веществ является двуокись серы. Этот газ выделяется во внешнюю среду при работе целого ряда промышленных производств, а также при сжигании твердых и жидких видов топлива. Основным источником SO₂ естественного происхождения является вулканическая деятельность. За последние годы антропогенный выброс данного газа резко возрос, благодаря чему в настоящее время антропогенные и естественные источники выделяют на Земле практически равное количество двуокиси серы (примерно по 150 млн. т. в год).

Растущие на стволах лишайники, подвергаются воздействию как двуокиси серы, концентрация которой характерна для атмосферы данного региона, так и сульфатов осадков, концентрация которых многократно увеличена вследствие стока осадков по кроне и стволу. Кроме того, чувствительность лишайников к SO₂ возрастет после их естественной «преинкубации» в кислых условиях, т. е. после дождя, например. Очевидно, что для лишайников, растущих на стволах деревьев, этот эффект ярче выражен, чем для растущих на ветвях [17].

Существующие в настоящее время экспериментальные данные указывают, что у лишайников наиболее чувствительны к SO₂ два процесса: фиксация углекислого газа, т.е. фотосинтез и нарушение целостности мембран, измеряемое по выходу калия из таллома. Нельзя исключить, однако, существование других, до сих пор не выявленных, изменений метаболизма, наступающих при поглощении меньших доз сернистого газа [25]. Отсутствие экспериментальных данных не позволяет пока делать столь определенных выводов.

Снижение численности и многообразия сообществ лишайников связывается так же с воздействием водородных соединений галогенов [35]. При загрязнении соединениями фтора так же наблюдается поражение водорослевого компонента. Так, спустя 6 лет после начала работы алюминиевого завода на расстоянии 12 км от него лишайников не было совсем [1].

Лишайники активно поглощают и накапливают соединения азота и могут быть использованы как биоиндикаторы азотного загрязнения, особенно распространенного в сельскохозяйственных районах, где применяются азотные удобрения [1]. Избыток азота стимулирует усиленный рост и деление клеток фикобионта, что может вызвать распад лишайникового симбиоза, как это наблюдалось у Hypogymnia physodes, росшей вблизи фабрики удобрений. Кроме того, аммиак, оксиды и соли азота влияют на фотосинтез, а так же на азотфиксацию - ингибируют активность нитрогеназы у лишайников с цианобионтом (Peltigera sp. - при поглощении ионов нитрата аммония) [1].

Приземный слой атмосферы довольно сильно загрязнен тяжелыми металлами. Источником такого загрязнения являются как различные предприятия (литейные заводы, угольные шахты, заводы по производству удобрений, хлор - щелочное производство и т. д.), так и автодороги, поскольку выхлопные газы автомобилей содержат много свинца.

Растения способны накапливать тяжелые металлы, поглощенные ими из воздуха и атмосферных осадков. Наибольшей металлаккумулирующей способностью обладают лишайники. При концентрации тяжелых металлов в атмосфере, равной фоновой, средняя концентрация каждого из них в лишайниках выше, чем в наземных частях высших растений (разумеется, без учета специфики отдельных видов, иногда возможны некоторые нарушения такой закономерности). Поглощение тяжелых металлов -- катионо-обменный, (а, следовательно, рН-зависимый) процесс, происходящий на поверхности клеток. Катионы тяжелых металлов обычно локализуются в клеточных стенках симбионтов, не влияя существенным образом на метаболизм лишайников. Однако острые дозы тяжелых металлов изменяют мембранную проницаемость для ионов калия, влияют на скорость фотосинтеза, на свойства хлорофилла и на ряд других процессов. При этом совсем не обязательно проникновение катионов внутрь клетки. Они могут вызывать целый ряд нарушений метаболических процессов, изменяя свойства мембраны, например плотности заряда на ее поверхности, что влечет за собой изменение скорости диффузии различных соединений. При проникновении внутрь клетки металлы могут выступать в роли акцепторов электронов, усиливая окислительный потенциал клетки.

В природе под воздействием тяжелых металлов изменяются окраска и размеры таллома, уменьшаются размеры клеток водорослей, снижается число делящихся клеток и контактов между партнерами, увеличивается число мертвых и плазмолизированных клеток водорослей, разрушается водорослевый слой. [21]

Лишайники активно аккумулируют и радионуклиды без явно отрицательных для себя последствий, сохраняя их в слоевищах в течение многих лет, причем вымывание этих соединений из талломов очень незначительно [35].

1.4 Источники загрязнения воздушного бассейна

1.4.1 Источники загрязнения атмосферы и их характеристика

Понятие "загрязнение" в экологической интерпретации имеет санитарно-гигиеническое происхождение, поскольку его употребление, прежде всего, связано со здоровьем человека. Постепенно оно стало иметь более широкое толкование, и ныне загрязнением принято считать поступление в природную среду веществ разного происхождения в количестве, вызывающем неблагоприятное воздействие на состояние живых организмов разных таксономических групп и биогеоценозов в целом, а также на материалы, оборудование, здания, сооружения.

Под загрязнением понимают процесс поступления в среду различных веществ после того, как их содержание достигает некоторой нормируемой критической величины - предельно допустимой концентрации (ПДК), - превышение которой негативно сказывается на деятельности обитателей Земли. Нормирование осуществляют государственные органы.

Природная среда - явление многокомпонентное, и загрязнение ее происходит из разных источников. Поскольку лишайники в основном используют для индикации качества атмосферы, уместно кратко охарактеризовать источники ее загрязнения.

Общепринято деление источников загрязнения атмосферы на естественные (извержения вулканов, пыльные бури, пожары, радиоактивное излучение естественных источников, брызги морской воды, продукты жизнедеятельности организмов и другие) и искусственные (деятельность человека).

Загрязнение от естественных источников признается как слабо воздействующее на свойства атмосферы, а значительные выбросы загрязняющих веществ из этих источников, как правило, связаны с проявлениями стихийных неуправляемых сил Земли (вулканическая деятельность).

Загрязнение, обусловленное хозяйственной деятельностью человека, считается для организмов наиболее опасным. Промышленные предприятия планеты ежегодно выбрасывают в атмосферу около 20 млрд. т загрязняющих веществ, из которых 75% приходится на углекислый газ, 1% - на оксид углерода, более 2,5% - на углеводороды, 0,6% - на золу и другое.

Вклад всех видов транспорта в загрязнение атмосферы населенных пунктов составляет 50-70%, производство пара, тепловой и электрической энергии - 10-15%, промышленных технологий и процессов горения -15-20%, переработки отходов - 5%, причем около 90% всех выбросов составляют газообразные загрязнители, а 10% - твердые и жидкие вещества.

Приоритетность загрязнителей определяется размером фактического или потенциально возможного воздействия на здоровье и благополучие человека, на климат или экосистемы, степенью содействия физиологической деградации природной среды, накоплением человеком в пищевых цепях и другими факторами.

Анализ публикаций свидетельствует о том, что лишайники применялись для индикации загрязнителей всех классов опасности.

Уровень загрязнения атмосферы определяется по нескольким показателям, из которых наиболее часто используются:

- средняя концентрация примеси в воздухе;

- предельно допустимая концентрация (ПДК) - разовая и среднесуточная;

- повторяемость разовых концентраций примеси в воздухе выше ПДК данной примеси и другие.

Средняя концентрация - это весовое количество примеси в единице объема. Предельно допустимая концентрация учитывает воздействие примеси на организм в зависимости от времени, например, для человека и животных - от продолжительности вдыхания. ПДК ориентированы на человека, однако известны попытки установить ПДК для растений и биосферы в целом.

1.4.2 Некоторые возможные варианты размещения искусственных источников загрязнения

Степень воздействия искусственных источников загрязнения атмосферы зависит как от их мощности, так и от концентрации различных производств и их размещения на изучаемой территории. Опубликованные данные результатов лихеноиндикационных исследований позволяют выделить следующие возможные варианты размещения источников загрязнения, воздействие которых изучалось с помощью лишайников:

1. Изолированный источник загрязнения с постоянным объемом и составом загрязнителей

В этом случае воздействие на лишайники изолированного источника загрязнения с постоянным объемом и составом загрязнителей в наибольшей степени будет сказываться вблизи источника и выразится в снижении видового разнообразия за счет гибели представителей чувствительных видов, а также редукции показателей жизненности сохранившихся видов. Сильное воздействие также может быть обнаружено и при удалении от источника в направлении преобладающих в этой местности ветров. Кроме того, вполне ожидаемо снижение концентрации загрязнителей в слоевищах лишайников по мере удаления от источника загрязнения. Примером такого варианта является комплексное исследование территории вокруг медно-никелевого комбината "Североникель" в Мончегорске (Кольский полуостров), в том числе и с использованием методов лихеноиндикации [5].

2. Изолированный источник загрязнения с уменьшающимся объемом выбросов.

Лишайники могут быть использованы для индикации улучшения качества среды вследствие снижения эмиссии загрязняющих веществ изолированным источником. Уменьшение эмиссий может быть результатом усовершенствования или изменения технологии очистки выбросов, перехода на более чистое топливо или снижения активности предприятия. В этих случаях количество выбросов и их состав уменьшаются, что предполагает соответствующую реакцию лишайников - заселение ими зон, где они отсутствовали из-за загрязнения, появление исчезнувших видов, уменьшение числа слоевищ с морфологическими отклонениями, вызванными загрязнением, снижение концентрации загрязнителей в талломах и другое. Однако подобное исследование требует наличия данных, собранных в этом месте в момент или до начала снижения количества выбросов.

3. Изолированный источник загрязнения с увеличивающимся объемом выбросов.

Появление на некогда "чистой"' территории источника загрязнения или увеличение эмиссий уже существующего изолированного источника дает основания ожидать, что имеющиеся на этой территории лишайники отреагируют на изменения условий их существования. Хроническое воздействие загрязнителей может привести к уменьшению обилия и ухудшению показателей жизненности или исчезновению представителей более чувствительных видов, а также увеличению покрытия устойчивых видов. Можно ожидать увеличения встречаемости слоевище проявлениями морфологических отклонений, а также увеличения концентрации загрязнителей в тканях лишайников. Как и в предшествующем случае, для сравнения желательны сведения о лишайниках территории, собранные до изменения масштаба воздействия источника загрязнения на нее. Однако в случае, если деятельность источника загрязнения непродолжительна, пространственный градиент можно использовать для сравнения возможных изменений во времени.

4. Маломощный изолированный источник дополнен новым источником загрязнения.

На территории, на которой функционирует небольшой источник загрязнения, со временем может начать действовать дополнительный и, возможно, более мощный изолированный источник. В лихенобиоте этой местности в таком случае могут произойти определенные перестройки, такие как реакция на изменение экологических условий - повышение смертности представителей отдельных видов, снижение покрытия, уменьшение видового разнообразия и другое. Эти признаки обычно проявляются в пределах 1-5 км от источника, а частота их проявлений снижается с увеличением расстояния от источника. Пример лихеноиндикации в подобной ситуации дает исследование местности вокруг нефтеперерабатывающего завода Esso, Fawley, в Гэмпшире, Англия [5].

5. Территория не имеет источников загрязнения, но загрязняется в результате трансрегионального переноса загрязнителей воздушными массами.

Удаленные территории с чистым воздухом могут загрязняться и в результате трансрегионального переноса загрязнителей воздушными массами. Так, на Европейскую территорию Российской Федерации, наряду с загрязнителями от собственных источников, выпадают вещества, принесенные в результате трансграничного переноса воздушными массами с Украины, Прибалтики, стран Центральной, Западной и Северной Европы [5]. Наиболее показателен пример распространения радиоактивного загрязнения в результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г., следы которого находят практически во всех регионах Северного полушария. Для установления действия такого рода загрязнения на относительно чистые области и исторического тренда загрязнения территории также возможно использование лишайников, поскольку многие из них являются накопителями определенных веществ. Успешные результаты были получены при определении концентраций свинца и серы в образцах лишайников, собранных много лет назад и хранившихся как коллекционный материал, и в современных образцах тех же видов, собранных в том же месте.

6. Неравномерное рассредоточение нескольких источников с перекрывающимся действием загрязнителей.

Индустриально развитые территории, как правило, выделяются наличием комплекса неравномерно рассредоточенных разнородных предприятий, выбросы которых в атмосферу могут быть специфичными, но действие их на природную среду будет перекрывающимся, так что определить особенности фактического влияния конкретного источника бывает практически невозможно. Особенности распределения лишайников на таких территориях нередко позволяют выделить здесь зоны, различающиеся качеством воздушного бассейна. Кроме того, подобному варианту соответствует лихеноиндикационное обследование крупных по размерам территорий (историческая или административная область, географический регион, страна). Примеров подобных исследований множество, и проводились они на уровне стран, провинций, городов, индустриальных бассейнов [5]. Основное требование к методике таких работ - равномерное обследование всей территории. Как правило, результаты представляются в виде карт разного масштаба, созданных либо на основе вычисленных индексов, интегрально характеризующих показатели лишайников, либо сведений о распространении отдельных индикаторных видов.

7. Неравномерное рассредоточение нескольких источников с перекрывающимся воздействием и уменьшающимся объемом выбросов и составом загрязнителей.

Проблемы качества окружающей среды все более волнуют население, что отражает принятие в ряде стран законов и других регламентирующих документов, направленных на снижение уровня выбросов загрязняющих веществ, в том числе и в атмосферу. Иногда уменьшение выбросов обеспечивается не только нормативно-правовыми механизмами, но и является следствием экономического спада, как это произошло в Российской Федерации в 1990-е годы [5].

Лишайники достаточно чутко реагируют не только на повышенные уровни загрязнения воздуха, но и на очищение атмосферы. Это проявляется и в заселении ими тех частей территории, где они прежде отсутствовали из-за загрязнения, и в увеличении площади покрытия ими субстрата, частоты встречаемости, улучшении показателей жизненности и т.п. Наиболее эффектным лихеноиндикационное исследование в этом случае выглядит при наличии исторических сведений о развитии лишайников на изучаемой территории.

8. "Чистая" территория находится в сфере воздействия удаленного источника загрязнения.

В связи с освоением удаленных от промышленных центров и ранее не обжитых регионов, территории, считавшиеся "чистыми", могут попасть в сферу воздействия достаточно далеко расположенных, но мощных источников загрязнения. Этому варианту, например, в Российской Федерации соответствуют территории ряда заповедников, относительно удаленных от крупных предприятий, но в силу либо особенностей технологии, либо направления преобладающих ветров подвергающихся их воздействию. Это влияние также может быть обнаружено методами лихеноиндикации, что подтверждают результаты исследований на хребтах Хамар-Дабан, Сихотэ-Алинь, полуострове Таймыр, в дальнем Подмосковье, острове Ньюфаундленд и во многих других регионах [5].

1.5 Трансплантационная лихеноиндикация

Метод лихеноиндикации позволяет проводить интегральную оценку загрязнения атмосферы; районировать территории городов и их окрестности по степени загрязнения атмосферы; характеризовать состояние больших территорий; отслеживать динамику загрязнения атмосферы с помощью лихеноиндикационных карт; изучать комбинированное действие загрязнителей (усиление или подавление действия загрязнителей в сочетании друг с другом); определять содержание в окружающей среде различных элементов (аккумуляция лишайниками тяжелых металлов, радионуклидов и др. веществ).

Традиционно для лихеноиндикационного обследования чаще всего используются количественные показатели лихенофлоры [26, 35]. Но в результате воздействия атмосферного загрязнения многие крупные промышленные центры стали в настоящее время зонами «лишайниковых пустынь» [12], и, соответственно, лихеноиндикация по количеству видов и обилию лишайников в них невозможна. Эту проблему решает трансплантационная лихеноиндикация, приемы которой позволяют исследовать любую территорию вне зависимости от наличия на ней лишайников.

Основные достоинства трансплантационной лихеноиндикации:

1. Возможность размещения слоевищ лишайников во всех местах, где нужно исследовать качество воздуха, в том числе там, где лишайники по каким-либо причинам отсутствуют;

2. В каждой местности всегда можно найти достаточное количество образцов массовых видов лишайников, чтобы обеспечить требуемую точность исследования и полноту охвата территории;

3. Во всех тестируемых точках размещается сравнительно однородный материал, собранный в месте с известными условиями существования, что позволяет более точно определить результаты;

4. Возможность выбора лучшего варианта эксперимента для изучения конкретных местообитаний и реакции представителей тех или иных видов лишайников;

5. Возможность установления темпов роста уровней загрязнения, вызывающих повреждения лишайников;

6. Сокращение периода проявления реакции лишайников на загрязнения или другие изменения среды.

Недостатком метода являются прежде всего перемещение лишайников из привычной для них среды в новые условия, вследствие чего реакция пересаженных слоевищ не всегда адекватна ответу постоянно растущих здесь особей того же вида [5].

Трансплантационная лихеноиндикация, несомненно, является надежным методом слежения за загрязненностью атмосферного воздуха. Это доказано многими исследованиями [1; 5; 31]. Но этот метод, сравнительно мало используется в России, зато очень часто применяется зарубежными исследователями [37; 38; 39].

Очень наглядным способом определения степени повреждения слоевища, отражающего уровень загрязнения атмосферы, является изменение содержания хлорофилла или отношения его типов [36; 40]. В качестве компенсаторного механизма наблюдалось увеличение синтеза хлорофилла [36].

На изменении процессов фотосинтеза в результате воздействия загрязнителей на хлорофилл основаны методы измерения флуоресцентных параметров (замедленной и быстрой флуоресценции) [12,27].

1.6 Замедленная флуоресценция хлорофилла и её практическое использование

Суть явления замедленной флуоресценции в том, что после возбуждения светом растение в течение некоторого времени (несколько минут) испускает слабое свечение в красной области спектра [7].

В результате поглощения кванта света в реакционном центре фотосистемы II происходит разделение заряда и образование донорно-акцепторной пары. При рекомбинации пары молекула хлорофилла вновь возбуждается с последующим высвечиванием кванта замедленной флуоресценции [7].

При генерации ЗФ на первом этапе образуется пара заряженных порфиринов (хлорофилл и феофетин), а затем идет перенос электронов к вторичным пластохинонным акцепторам и положительных зарядов в систему разложения воды [27]. При обратном переносе зарядов окисленный хлорофилл реакционного центра и первичный акцептор электронов ФС2 рекомбинируют, образуя возбужденные молекулы хлорофилла - Р680, энергия возбуждения которых может высвечиваться в виде квант ЗФ.

Идентичность спектра ЗФ и флуоресценции хлорофилла указывает на непосредственную связь ЗФ с переходом молекул хлорофилла с синглетного возбужденного уровня на основной [10]. ЗФ возможна только при сформированном фотосинтетическом аппарате и его нарушения приводят к изменению тех или иных ее параметров. Основываясь на этом факте, многими исследователями были предприняты попытки использовать ЗФ растений для того, чтобы оперативно оценивать состояние как фотосинтетического аппарата, так и всего растения в целом [7].

Методы регистрации ЗФ получили широкое применение как критерии физиологического состояния растения при различном температурном, световом и водном режимах [7]. Показано, что флуоресцентные параметры снижаются при недостатке влаги в листьях.

Использование методов ЗФ в наше время все больше набирает обороты, благодаря специализированному прибору «Фотон-10», разработанному на кафедре экотоксикологии и микробиологи Сибирского федерального университета, и новых показателей интенсивности замедленной флуоресценцию у хлорофиллсодержащих организмов, предложенные Григорьевым Ю.С. с сотрудниками [12]. Прибор и новые методические подходы используются и могут быть использованы для оперативного контроля токсичности природных и промышленных загрязнений, а также в аналитических и контрольно-токсикологических исследованиях для обнаружения и последующего определения содержания веществ, обладающих фитотоксической активностью.

С его помощью уже проводились исследования состояния лишайников в различных районах заповедника «Столбы». Кроме того, показана высокая степень корреляции между изменение показателей ЗФ и степенью загрязнения атмосферы в серии экспериментов по трансплантационной лихеноиндикации г. Красноярска [12].

2. Объект и методы исследований

2.1 Состояние атмосферы города Красноярска. Факторы, влияющие на распределение загрязняющих веществ в атмосферы города Красноярска

Красноярск - крупнейший экономический и культурный центр Восточной Сибири, административный центр Красноярского края. Город расположен на обоих берегах р. Енисей в среднем его течении, на стыке трех геоморфологических районов: террасированной долины Енисея; прилегающей к ней с севера холмистой Красноярской лесостепной равнины и ограничивающих долину с юга предгорий Восточного Саяна. Долина Енисея занимает преобладающую часть города.

Здесь находится, один из мощнейших в мире, Красноярский алюминиевый завод.

Ветровой режим в районе города характеризуется чередованием ветреных и застойных периодов, составляющих около 40% времени, благоприятствуя возникновению смога и аккумуляции загрязняющих веществ. Котловинный характер расположения города способствует развитию местной циркуляции скоплению примесей в пониженных формах рельефа [22].

Степень загрязнения воздуха выбросами промышленных предприятий зависит как от количества выбросов, так и от метеорологических условий, характеризующих рассеивающую способность нижнего слоя атмосферы (скорость, направление ветра, наличие осадков или туманов). В Красноярске концентрации примесей относительно повышены при северо-восточном и восточном направлениях ветра, повторяемость которых незначительна и изменяется в течение года от 3-6% в январе до 13% в июле.

Преобладающее направление ветра зимой и осенью юго-западное, весной и летом - западное. Наибольшие скорости ветра чаще наблюдаются весной [22].

В течение всего периода над акваторией р. Енисей и прибрежной зоной преобладают ветры юго-западных румбов, повторяемость которых составляет 20 - 59 %. Скорость ветра в долине Енисея и в прибрежных районах значительно выше скорости в пунктах, удаленных от реки. Увеличение скорости ветра наблюдается и на возвышенных, открытых местах [22].

В период с устойчивым состоянием атмосферы (приземная и/или приподнятая инверсия температуры, штиль) можно наблюдать суточную динамику концентраций СО, NO и NO₂ с повышенными значениями в течение всего дня. В ранние утренние и поздние вечерние часы, когда уменьшается поток автотранспорта, снижение концентраций замедляется за счет усиления устойчивости атмосферы. В этом случае чаще всего наблюдается повышенный уровень загрязнения на всей территории города [28].

Наибольший вклад в уровни загрязнения от автотранспортных источников наблюдается при сочетании устойчивого состояния атмосферы (приземных инверсий) с низкими скоростями ветра. Вклад промышленных источников загрязнения проявляется в условиях развития слоя перемешивания [28].

Кроме того, в зимнее время эти загрязняющие субстанции могут оставаться в воздухе достаточно длительное время из-за столь необычной топологии и розы ветров, характерных для города. Как следствие этого факта, слабая вентиляция, наличие высоких зданий в совокупности с медленно движущимся транспортом делает невозможным быстрое рассеивание загрязняющих агентов, особенно в центре города [36].

Важным фактором является конфигурация и расположение объектов жилой, административной и промышленной застройки. Высотное строительство влечет за собой появление не только инженерно-технических проблем, связанных непосредственно с возведением и эксплуатацией многоэтажных объектов, но и резкое изменение экологической обстановки на прилегающих к ним территориях, в том числе изменение микроклиматической ситуации, в первую очередь (деформацию воздушных потоков). В результате вокруг высоток формируется ветровой режим, отличающийся от ранее существовавшего на данной территории повышенными скоростями воздушных потоков и даже образованием зон, где они носят порывистый характер. Размер этих зон зависит от размеров здания, скорости естественного атмосферного ("градиентного") ветра и характеристик шероховатости подстилающей поверхности, определяющих изменение (сдвиг) скорости ветра в зависимости от высоты. Указанное отличие бывает настолько сильным, что зачастую вызывает крайне неблагоприятные последствия на прилегающие территории [28].

2.2 Красноярский алюминиевый завод как источник загрязнения атмосферы Красноярска

Красноярский алюминиевый завод был введен в эксплуатацию в 1964 году. По объему выпуска продукции Красноярский алюминиевый завод является вторым алюминиевым заводом мира: в 2008 году он выплавил более 1 млн. тонн первичного алюминия.

На долю Красноярского завода приходится 24% всего производимого в России алюминия и 2,5% мирового производства. Завод расположен рядом с Красноярской ГЭС и потребляет около 70% от общего объема производимой станцией электроэнергии.

Красноярский алюминиевый завод расположен в черте городской застройки на левом берегу реки Енисей, и его санитарно-защитная зона должна составлять 3000 м.

С 1999 по 2002 гг. наблюдалось снижение выбросов токсичных веществ от него, но затем валовой выброс снова стал увеличиваться. Так, количество выбрасываемых соединений фтора уменьшилось с 5,5 тыс. т в 1988 г. до 1,7 тыс. т в 2000 г. за счет изменения расходных коэффициентов по фторсодержащему сырью, повышения КПД колокольного укрытия электролизеров и увеличения эффективности работы газоочистных сооружений. Однако с 2003 по 2004 гг. объем выбросов загрязняющих веществ на заводе снова вырос в 1,6 раза [11]. Все это привело к высокому уровню загрязнения атмосферного воздуха бенз(а)пиреном и фтористыми соединениями. Наиболее высокие концентрации бенз(а)пирена регистрировались в 90-е гг. Тогда его среднегодовая концентрация достигала 6-7 ПДКсс. Содержание фтористого водорода в воздухе превышало ПДКсс на значительной части территории города по обоим берегам Енисея и наиболее высокие концентрации, превышающие ПДКсс в 12 раз, отмечались в 1987 г. вблизи завода.

Красноярский алюминиевый завод в сентябре 2009 года завершил программу модернизации, начатую в 2004 году. Основная задача программы - снизить экологическую нагрузку алюминиевого производства на окружающую среду. Важнейшим направлением модернизации стала установка 23 сухих газоочисток вместо малоэффективных электростатических фильтров. Существующие мокрые газоочистки продолжают использоваться для «доочистки» газов после сухих газоочисток и удаления SO₂. Модернизация позволила сократить удельные выбросы предприятия: выбросы фтористого водорода были снижены в 1,5 раза, смолистых веществ - в 2,7 раза, бензо(а)пирена - в 2,5 раза.

Красноярский алюминиевый завод стал первым российским предприятием с технологией Содерберга, который полностью оснащен системами автоматического питания глиноземом. Новая система позволяет сделать электролизер более герметичным. Внедрение системы автоматического питания глиноземом сокращает количество выбросов фтористых соединений на 10%, смолистых веществ на 3%, пыли на 30%. Использование новой системы подачи сырья обеспечивает снижение частоты анодных эффектов и, как следствие, существенно сокращает выбросы парниковых газов.

В 2007 году на Красноярском алюминиевом заводе - первом из российских предприятий - были произведены замеры перфторуглеродов (компоненты парниковых газов). Мониторинг был проведен сотрудниками Международного института алюминия (International Aluminium Institute). Согласно полученным результатам, абсолютные выбросы перфторуглеродов на Красноярском алюминиевом заводе в 2007 году сократились на 78% по сравнению с 1990 годом, удельные (на тонну алюминия) - на 82%. Таким образом, Красноярский алюминиевый завод выполнил добровольную цель Международного института алюминия по снижению удельных выбросов перфторуглеродов к 2010 году на 80%.

Но, несмотря на все эти мероприятия, Красноярский алюминиевый завод является одним из основных источников загрязнения атмосферы г. Красноярска.

2.3 Методика проведения эксперимента

В качестве объектов исследований выбраны эпифитные лишайники: кустистый Usnea subfloridana и накипной Hypogymnia physodes, которые были взяты на относительно чистых территориях окрестностей Усть-Маны. Их выбор основан на таких критериях, как частая встречаемость, довольно слабое прикрепление к субстрату, чувствительность к основным загрязнителям, высокое содержание фикобионтов (для получения сигнала флуоресценции достаточной интенсивности).

Собранные лишайники хранились в лаборатории в высушенном состоянии без доступа света. Перед проведением эксперимента для активирования образцов лишайника слоевища замачивались в воде и затем сортировались по уровню ЗФ для обеспечения относительной однородности используемого материала.

При проведении эксперимента необходимо было решить задачу крепления талломов лишайников в тестируемых районах. Для этого они помещались в нейлоновую сетку. Такая конструкция легко крепится в тестируемой зоне на стволах деревьев.

Лишайники были размещены на 38 пробных площадях, расположенных на трансектах по направлениям: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад, северо-запад на расстоянии 2,5, 5, 10, 15, 20 километров от завода, а также непосредственно у его территории (Рисунок 2). Период экспонирования составил 21 сутки (с 02.06.2010 по 23.06.2010). После экспонирования образцы снимались со ствола дерева и доставлялись в лабораторию для измерения уровня ЗФ.

2.4 Метод регистрации замедленной флуоресценции лишайников

Регистрация замедленной флуоресценции проводилась на компьютеризированном флуориметре “ Фотон-10”, разработанном на кафедре экотоксикологии и микробиологи Сибирского федерального университета.

В прибор одновременно загружались 24 кюветы с анализируемыми образцами. Возбуждение проводилось импульсным светом высокой интенсивности (200 Вт/м2) длительностью 20 миллисекунд. ЗФ регистрировалось между импульсами возбуждающего света в период 5 мс.

В качестве показателя замедленной флуоресценции были взяты значения амплитуды быстрой (миллисекундной) компоненты затухания послесвечения в максимуме ее индукционной кривой. На графиках значения интенсивности ЗФ выражены в относительных единицах.

Статистическая обработка результатов эксперимента проводилась с помощью пакета программ MS Excel.

3. Результаты и их обсуждение

3.1 Разработка методики проведения эксперимента на примере Саянского алюминиевого завода

Для разработки методики проведения эксперимента, обеспечивающей оптимальные условия жизнедеятельности лишайника и использования метода измерения ЗФ в трансплантационной лихеноиндикации, в 2006 г. был проведен эксперимент по изучению пространственного распределения загрязнителей вокруг Саянского алюминиевого завода. В ходе эксперимента проводилось изучение влияния атмосферных выбросов завода на кустистые лишайники Evernia mesomorpha, Parmelia sulcata, накипные Hypogymnia physodes, Usnea subfloridana и на их параметры замедленной флуоресценции по трансекте в направлении Северо-восток.

При проведении эксперимента необходимо было решить задачу крепления талломов лишайников в тестируемых районах, а также возможность содержания и реагирования трансплантатов на загрязнение воздушной среды в условиях естественного увлажнения.

Для этого были сконструированы специальные стенды из дерева, состоящие из пластин с укрепленными на них штырьками, между которыми помещались пронумерованные высечки лишайниковых талломов. Сверху талломы затягивались марлей для закрепления и защиты от избыточной инсоляции. Такая конструкция крепилась в тестируемой зоне на вертикально установленном шесте.

Лишайники были трансплантированы в район Саянского алюминиевого завода на 30 суток по направлению точек, указанных на карте на северо-восток, на расстоянии 200, 500, 1000, 2500, 5000, 7500 метров от предприятия.

После трансплантации для всех лишайников было отмечено изменение окраски. Изначально светло- или серовато-зеленые талломы становились буро-желтыми. Изменялись и физические свойства, проявляющиеся в снижении сопротивления к механическим воздействиям (разрывам). Также отмечено появление плесени. Поскольку многие лишайники содержат в своих талломах антибиотические вещества [12], то можно предположить, что у образцов, подвергавшихся воздействию атмосферных выбросов Саянского алюминиевого завода, произошли изменения метаболизма, в результате которых синтез антибиотических веществ снизился, и плесневелые грибы смогли развиться на слабо защищенном талломе.

Кроме того, после экспозиции при замачивания был отмечен резкий неприятный запах лишайников, что указывало на аккумуляцию ими загрязняющих веществ.

Таким образом, визуальная оценка состояния слоевищ показала угнетение процессов жизнедеятельности лишайников под воздействием атмосферных выбросов Саянского алюминиевого завода. Причем, чем ближе к источнику были образцы, тем заметнее проявлялись их изменения.

Если посмотреть на изменения интенсивности ЗФ в процентном отношении, то можно увидеть, что негативное влияние атмосферных выбросов по-разному воздействует на лишайники. Наиболее устойчивым к загрязнению оказался эпилитный лишайник Parmelia sulcata.

Поскольку у всех четырех видов лишайников значительное снижение уровня ЗФ наблюдалось на расстоянии 5000 м от Саянского алюминиевого завода, то это означает, что его воздействие выходит далеко за пределы санитарно-защитной зоны предприятия (3000 м).

Таким образом, проведенные исследования показали, что предложенные метод трансплантации лишайников позволяет надежно регистрировать воздействие на них выбросов алюминиевого завода и проводить работы по лихеноиндикации загрязнения воздушной среды.

3.2 Анализ результатов экспонирования лишайниковых трансплантатов в районе Красноярского алюминиевого завода

3.2.1 Анализ результатов экспонирования лишайниковых трансплантатов Usnea subfloridana

Для обобщения результатов эксперимента полученные значения ЗФ были сгруппированы в три группы по мере снижения ее интенсивности в местах размещения трансплантатов: 0-750; 751-1500; 1501-2200 отн.ед.

Анализ результатов эксперимента показывает, что в наибольшей степени понизились значения ЗФ трансплантированных образцов Usnea subfloridana на местах размещения, расположенных непосредственно у территории Красноярского алюминиевого завода: 33 отн.ед.

Резкое снижение уровня ЗФ лишайников (красный цвет) отмечается в направлении Восток: 2.5 и 5 км, и имеют показатели ЗФ 303 и 519 отн.ед. соответственно.

Сильное снижение уровня ЗФ (желтый цвет) в основном находится в местах размещения на расстоянии 2,5 - 5 км от источника загрязнения, и в направлении Северо-восток, а также на Запад(10, 15, 20 км).

Незначительное снижение уровня ЗФ (зеленый цвет) в основном находится в местах размещения, находящихся на достаточно большом расстоянии от Красноярского алюминиевого завода. Некоторые места размещения, на которых лишайники показали достаточно высокое значение ЗФ после экспонирования (2,5 км, 5 км в направлении Запад, 2,5 км в направлении Юг), оказались расположенными практически возле источника загрязнения. Вероятно, это объясняется их микроклиматическими условиями (близость реки, хорошая продуваемость и пр.), которые ослабили неблагоприятное воздействие выбросов Красноярского алюминиевого завода на лишайниковые трансплантаты.

Следует отметить, что места экспонирования, расположенные по направлениям Северо-восток и частично Север и Восток, согласно анализу преобладающих в период экспонирования ветров подвергались наибольшему влиянию выбросов Красноярского алюминиевого завода. За время экспонирования наблюдались преимущественно ветра юго-западного, реже западного и южного направления. Доля ветров других направлений была крайне незначительна.

Анализ результатов эксперимента показывает, что в наибольшей степени понизились значения ЗФ трансплантированных образцов Hypogymnia physodes на местах размещения, расположенных непосредственно у территории Красноярского алюминиевого завода: 21 отн.ед. и на 2,5 км в направлении Восток: 67 отн.ед.

Сильное снижение уровня ЗФ (желтый цвет) в основном находится в местах размещения: 2,5-5 км от Красноярского алюминиевого завода во всех направлениях, а также в направлении Север, Северо-восток и Юго-запад. Значения ЗФ, расположенные на местах размещения 10 км в направлении Юг, Юго-восток и 15 км в направлении Восток и Запад, также показывают сильное снижение уровня ЗФ. Вероятно, это объясняется их микроклиматическими условиями (близость дороги, различные выбросы соседствующих предприятий и пр.), которые усилили неблагоприятное воздействие выбросов Красноярского алюминиевого завода на лишайниковые трансплантаты.

Незначительное снижение уровня ЗФ (зеленый цвет) в основном находится в местах размещения, находящихся на достаточно большом расстоянии от Красноярского алюминиевого завода.

Таким образом, картина изменения значения ЗФ Hypogymnia physodes после экспонирования в целом соответствует изменению значений ЗФ по Usnea subfloridana.

В направлении преобладающих ветров (север, северо-восток, запад) наблюдаются наиболее низкие значения ЗФ лишайниковых трансплантатов.

В целом можно отметить, что равномерное снижение уровня ЗФ в направлении «Окраина-КрАЗ» по каким-либо сторонам света наблюдается не всегда, в некоторых случаях достаточно близко к заводу наблюдаются относительно высокие значения ЗФ лишайников (направление Запад 2,5 км), а на значительном расстоянии от него регистрируются довольно низкие значения ЗФ (направление Запад 15 км). Такую ситуацию можно объяснить особенностями распределения загрязнителей атмосферы на исследуемой территории, а именно мозаичностью размещения более мелких, чем Красноярский алюминиевый завод, промышленных предприятий, автодорог, котельных, ТЭЦ и прочих предприятий, вносящих свой вклад в загрязнение атмосферы Красноярска и соответственно в состояние трансплантированных лишайников.

Заключение

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Уровень замедленной флуоресценции лишайников после трансплантации показывает угнетение фотосинтетической активности водорослевого компонента при приближении к источнику загрязнения Красноярскому алюминиевому заводу, что позволяет считать данную методику приемлемой для оценки загрязнения атмосферных выбросов предприятий по переработке алюминия.

2. Проведенные эксперименты по трансплантационной лихеноиндикации с использованием двух видов лишайников показывают одинаковую тенденцию снижения интенсивности замедленной флуоресценции при приближении к рабочей зоне Красноярского алюминиевого завода.

3. На характер снижения ЗФ лишайников в различных районах города большое влияние оказывает преобладающее направление ветров. Наиболее сильно снижается уровень ЗФ лишайников, экспонированных в восточном и северо-восточном направлении.

4. Выделить влияние непосредственно выбросов Красноярского алюминиевого завода на всей исследованной территории не представляется возможным из-за влияния прочих предприятий, также выделяющих загрязняющие атмосферу вещества.

Список использованных источников

1. Андерсон Ф.К., Трешоу М. Реакция лишайников на атмосферное загрязнение // Загрязнение воздуха и жизнь растений. Л.: Гидрометеоиздат, 1988, с. 295-326.

2. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. Под ред. Р. Шуберта М.: Мир, 1988

3. Бучельников М.А. Замедленная флуоресценция в биоиндикации воздушных загрязнений: Афтореф., канд. биол. наук.- Красноярск,1998.

4. Бучельников М. А., Григорьев Ю.С. Изучение замедленной и вариабельной флуоресценции хлорофилла лишайников в естественной и загрязнённой среде. / Сборник научных статей ФНТИ и ТДМ.- Кр-ск, 1994.-с. 59-61.

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

6. Вайнштейн Е.А. Некоторые вопросы физиологии лишайников. 1. Дыхание // Бот. Журн. 1972, Т.57, №7. С. 832-840.

7. Веселовский В. А., Веселова Г.В. Люминесценция растений. Теоретические и практические аспекты. М.: Наука,1990. с.199

8. Гарибова Л.В., Дундин Ю.К., Коптяева Т.Ф., Филин В.Д. Водоросли, лишайники и мохообразные СССР.- М.: Мысль, 1978. 15.

9. Голубкова Н.С. Внешнее и внутреннее строение лишайников // Жизнь растений, Т-3- М.: Просвещение, 1997, -с. 390-426.