Определение степени загрязнения атмосферного воздуха методом лихеноиндикации
Один из ведущих лихенологов, X. Трасс, разделил методы лихеноиндикации (т.е. индикации с помощью лишайников) на три группы. На первое место он поставил методы, позволяющие изучать изменения, которые происходят в строении и жизненных функциях лишайников под воздействием загрязнения. Методы второй группы базируются на описании видов лишайников, обитающих в районах с различной степенью загрязнения атмосферы. Третья группа включает методы изучения целых лишайниковых сообществ в загрязненных районах и составление специальных карт. При использовании методов первой группы можно выбрать показательный вид лишайника, достаточно легко отзывающийся на ухудшение качества окружающей среды. Отличный пример такого индикаторного вида – гипогимния вздутая, и многие лихенологи используют этот лишайник при проведении своих исследований. Так, изучая распространение выбросов сталелитейных заводов в Северной Финляндии, ученые собрали со стволов деревьев гипогимнию вздутую, произраставшую на разных расстояниях от заводов. По мере приближения к источнику выбросов сильно менялись такие показатели состояния растения, как кислотность клеточного сока, электропроводность, содержание хлорофилла, серы и железа в слоевище и степень поврежденности фотобионта. Кстати, за состоянием водоросли в лишайнике легко наблюдать, пользуясь флуоресцентным микроскопом. Здоровые клетки в синем или ультрафиолетовом свете имеют характерное красное свечение. По мере разрушения клеток цвет становится сначала коричневым, затем оранжевым и потом белым.
Чтобы определить, насколько быстро изменится лишайник под влиянием загрязнения, пользуются методом трансплантации, т.е. пересадки растения в загрязненные районы. Впервые трансплантацию лишайников осуществил немецкий ученый Ф. Арнольд в 1892 году. Он перенес несколько напочвенных видов этих растений из сельской местности в город Мюнхен. Очень скоро все «переселенцы» погибли. В 1959 году из Хибин в Ботанический сад Тартуского университета привезли пять арктоальпийских лишайников. Уже в первые месяцы пребывания на новом месте лишайники побледнели, их апотеции утратили свой нарядный вид, рост прекратился. Через год все лишайники погибли. Дольше других продержалась нефрома арктическая.
По отношению к загрязнению воздуха виды лишайников можно разделить на три категории: 1) самые чувствительные, исчезающие при первых симптомах загрязнения; 2) среднечувствительные, приходящие на смену погибшим чувствительным видам, с которыми они не могли конкурировать, пока воздух был чистым; 3) самые выносливые, толерантные к загрязнению.
Интересные результаты получены лихенологом В.В. Горшковым на Кольском полуострове. Изучая воздействие сернистого газа и полиметаллической пыли на лишайники, он проанализировал состояние лихенофлоры сосновых лесов на разных расстояниях от комбината «Североникель». Для этого на стволах деревьев отмечали участки площадью 100 см2, на которых подсчитывали количество эпифитных лишайников и определяли их видовой состав. В фоновом районе, на расстоянии 60 км от комбината, было обнаружено 70 видов лишайников. Среднее суммарное покрытие стволов деревьев этими растениями составляло 11,2%, а количество пустых, не занятых ими площадок, – 13% общего числа исследованных. В 30 км от комбината среднее суммарное покрытие уменьшилось в пять раз, а количество площадок без лишайников увеличилось в четыре раза. Здесь оказалось всего 22 вида лишайников. В 15 км от источника загрязнения среднее суммарное покрытие составляло всего 0,01% значения, характерного для незагрязненного района, и 90% всех исследованных площадок оказалось не занято лишайниками. Наконец, в восьми километрах от комбината находилась абсолютная «лишайниковая пустыня».
Иногда устойчивость лишайников к загрязнению обусловлена внешними условиями. Оказывается, что хорошо смачиваемое слоевище страдает от загрязнения больше, чем плохо смачиваемое. Но иногда объяснение причины устойчивости лишайника к загрязнению нужно искать внутри самого лишайника. Важную роль играет плотность корового слоя, проницаемость клеток, присутствие некоторых лишайниковых веществ, нейтрализующих кислотные выпадения. На основе индивидуальных особенностей лишайников были сделаны шкалы, которые позволяют установить уровень загрязнения конкретного района по наличию или отсутствию в нем определенных видов лишайников. Примером может служить шкала полеотолерантности эпифитов, т.е. устойчивости к городским условиям. Эту шкалу составил X. Трасс. Шкала включает десять классов. В 1-й, 2-й и 3-й классы входят лишайники, обитающие только в природных ландшафтах (в лесах, болотах, вдали от населенных пунктов) и в слабо окультуренной местности (в лесных массивах рядом с населенными пунктами, лугах). В 4-й, 5-й и 6-й классы попадают лишайники, более или менее часто встречающиеся в умеренно окультуренном ландшафте (в поселках, малых городах, парках в окрестностях больших городов и на кладбищах). Наконец, классы 7, 8, 9 и 10 объединяют те виды лишайников, которые распространены в сильно окультуренных районах (в больших и средних городах).
Лихенологические карты позволяют наблюдать за изменениями, которые происходят в состоянии воздуха в течение 20–50 лет. Эти методы требуют не очень значительных затрат и с успехом могут дополнить, а иногда и заменить более точные физико-химические методы исследования воздуха, для которых необходима дорогостоящая аппаратура. Правда, для составления карт необходимо достаточно полно изучить лихенофлору в исследуемом районе. Предположим, нужно составить описание эпифитных лишайников в каком либо парке. Для этого, двигаясь по аллее, описывают те лишайники, которые растут по обеим ее сторонам на пробных площадках, на каждом пятом (либо третьем или десятом) дереве. Пробная площадка ограничивается на стволе деревянной рамкой, например размером 10х10 см, которая разделена внутри тонкими проволочками на квадратики по 1 см2. Отмечают, какие виды лишайников встретились на площадке, какой процент общей площади рамки занимает каждый растущий там вид (проективное покрытие). Кроме того, отмечают жизнеспособность каждого образца: есть ли у него плодовые тела, здоровое или чахлое слоевище. На каждом дереве описывают минимум четыре пробные площадки: две у основания ствола (с разных его сторон) и две на высоте 1–1,5 м. В целом по аллее получается внушительное число описаний, а по всему парку – и того больше. Одни карты отражают присутствие какого-то одного вида лишайников на данной территории, другие дают дополнительную информацию об его обилии в разных точках, на третьих обозначено количество видов лишайников, произрастающих в зоне исследования.
Таблица 31
Оценки частоты встречаемости и степени покрытия по пятибалльной шкале
Таким образом, для каждой площади описания и для каждого типа роста лишайников – накипных, листоватых и кустистых – выставляются баллы встречаемости и покрытия. После проведения исследований на нескольких десятках деревьев делается расчет средних баллов встречаемости и покрытия для каждого типа роста лишайников – накипных (Н), листоватых (Л) и кустистых (К). Зная баллы средней встречаемости и Н, Л, К, легко рассчитать показатель относительной чистоты атмосферы (ОЧА) по формуле. Чем ближе показатель ОЧА к единице, тем чище воздух местообитания. Имеется прямая связь между ОЧА и средней концентрацией диоксида серы в атмосфере
Результаты исследования заносятся в учетную карточку, вариант которой представлен ниже. Оценка чистоты воздуха при помощи лишайников
Общие методические рекомендации 1. Выберите район, в котором будут проводиться наблюдения. 2. Составьте карту района. 3. Отметьте на карте близлежащие ТЭЦ, заводы, другие предприятия, дороги с интенсивным движением автотранспорта. 4. Разбейте выбранную территорию на равные квадраты, размер которых зависит от площади изучаемой территории (например, 10х10 м или 20х20 м, и т.д.). 5. В каждом квадрате выберите 10 отдельно стоящих старых, но здоровых деревьев. 6. На каждом дереве подсчитайте количество видов лишайников. Не обязательно знать, как точно называются виды, надо лишь различать их по цвету и форме слоевища (см. рис. 70). Можно использовать лупу. Желательно формирование коллекции. 7. Все обнаруженные виды разделите на 3 группы: накипные, листоватые, кустистые. 8. Проведите оценку степени покрытия древесного ствола. Для этого на высоте 30–150 см на наиболее заросшую лишайниками часть коры наложите рамку. Подсчитайте, какой процент общей площади рамки занимают лишайники. Кроме деревьев можно исследовать обрастание лишайниками камней, стен домов и т.п. 9. Полученные результаты занесите в карточку. 10. Сделайте вывод о степени загрязнения воздуха на изучаемой территории. |
Рис. 70. Лишайники («Биологический энциклопедический словарь», 1995)
Накипные:1 – лецидея скученная (Lecidea glomerulosa); 2 – леканора разнообразная (Lecanora allophana);Листоватые: 3 – пармелия козлиная (Parmelia caperata); 4 – пельтигера собачья (Peltigera canina); 5 – нефрома арктическая (Nephroma arcticum); 6 – гипогимния вздутая (Hypohynmia physodes); 7 – цетрария исландская {Cetraria islandica) Кустистые: 8 – кладония пальчатая (Cladonia digitata): подеции (а) с апотециями (б); 9 – кладония альпийская (Cladonia alpestiis); 10 – уснея длиннейшая (Usnea longissima); 11 – эверния сливовая (Evernia prunastrl); 12 – алектория бледноохряная (Alectoria ochroleuca)
Вопросы для обсуждения на семинаре, подготовки сообщений, самостоятельной работы и написания рефератов по теме 8
1. Понятие мониторинга и его виды.
2. Глобальная система мониторинга окружающей среды.
3. Мониторинг состояния природных вод.
4. Мониторинг состояния атмосферного воздуха.
5. Мониторинг состояния почв и земель.
6. Мониторинг состояния биоты.
7. Мониторинг радиоактивных материалов и отходов.
8. Методы биоиндикации и биотестирования.
9. Методы прогноза изменений в компонентах окружающей природной среды.
10. Контроль экологической регламентации.
Рекомендуемая литература для изучения темы 8
Основная:
Воробейчик, Е.Л. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем / Е.Л. Воробейчик, О.Ф. Садыков, М.Г. Фарафонтов. – Екатеринбург: Наука, 1994. – 380 c.
Коробкин, В.И. Экология / В.И. Коробкин, Л.В. Передельский. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – С. 516–546.
Скуратов, Н.С. Природопользование: 100 экзаменационных ответов: экспресс-справочник для студентов вузов / Н.С. Скуратов, И.В. Гурина. – М.: ИКЦ «МарТ; Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2007. – С. 189–194.
Экология /под ред. проф. В.В. Денисова. – М.: ИКЦ «МарТ», 2006. – С. 372–394.
Экология. Природа – Человек – Техника: учебник / под общ. ред. А.П. Кузьмина. – М.: Экономика, 2007. – С. 287–301.
Дополнительная:
Гридэл, Т.Е. Промышленная экология: учеб. пособие для вузов; пер. с англ. под ред. Э.В. Гирусова / Т.Е. Гридэл, Б.Р. Алленби. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. – 527 c.
Каплин, В.Г. Биоиндикация состояния экосистем: учеб. пособие для студентов биол. специальностей ун-тов и с.- х. вузов / В.Г. Каплин. – Самара, 2001. – 144 с.
Пузаченко, Ю.Г. Методологические основы географического прогноза и охраны среды / Ю.Г. Пузаченко. – М.: УРАО, 1998. – 212 c.
Шитиков, В.К. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации / В.К. Шитиков, Г.С. Розенберг, Т.Д. Зинченко. – Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. – 463 с.