Лихеноиндикация загрязнения атмосферного воздуха.

Одной из конкретных программ школьного мониторинга является мониторинг методом лихеноиндикации. Индикация уровня и динамики загрязнения атмосферного воздуха с помощью эпифитных лишайников – один из многочисленных видов биоиндикации.

Предполагают, что эти симбиотические организмы существуют на Земле не менее 200 миллионов лет назад. Одно можно сказать определенно: они появились на планете позже, чем свободно живущие водоросли и грибы.

Имеется много основательных доводов в пользу мнения о высокой чувствительности лишайников к загрязнению среды обитания. Еще в XIX веке отмечалось обеднение видового состава эпифитных лишайников в крупных городах, что связывалось с загрязнением. Позднее, когда антропогенное воздействие на среду стало гораздо масштабнее и начало сказываться на здоровье людей, повсеместно возрос интерес к лишайникам как биоиндикаторам качества среды, особенно воздуха, ибо все необходимое для жизнедеятельности эти организмы получают аэральным путем.

Было установлено, что на них губительно действует, прежде всего, вещества, увеличивающие кислотность среды, ускоряющие окислительные процессы, т.е. такие соединения как SO2, HF, HCl, оксиды азота, озон. В то время для лишайников сравнительно безвредны токсичные для других организмов тяжелые металлы, накапливаемые в слоевищах в значительных количествах, а также естественные и искусственные радиоактивные изотопы [4].

 Минеральные вещества в виде водных растворов поступают в слоевище лишайника из почвы, коры деревьев, горных пород. Поглощение элементов из дождевой воды идет очень быстро и сопровождается их концентрированием. При повышении концентрации соединений металлов в воздухе резко возрастает их содержание в слоевищах лишайников, причем в накоплении металлов они далеко опережают сосудистые растения. Лишайники чрезвычайно чувствительны к токсичным газообразным продуктам и, особенно к диоксиду серы (SО₂).

Лишайники используются для наблюдения за распространением в атмосфере более 30 элементов: серы, натрия, кальция, лития, свинца, ртути, фтора, магния, йода и др. Состав минеральных элементов в лишайниковом слоевищеопределяют классическим методом сжигания [5]. На высокие концентрации цинка лишайники реагируют по-разному от изменении в окраске до изменении в размерах.

Некоторые исследователи связывают накопление металлов в слоевищах лишайников с характерным окрашиванием. Так, накопление железа, по их мнению, является причиной того, что слоевища некоторых видов этих растений приобретают коричневый оттенок, а накопление меди – зеленый [26].

Ниже (табл.1) характеризуются жизненные формы лишайников, которые могут быть использованы для биоиндикации атмосферы.

Таблица 1 [28].

Жизненные формы лишайников.

Жизненная форма	Характерные внешние признаки
Накипной (корковый)	Слоевище порошкообразное или коркообразное, плотно срастается всей нижней поверхностью с субстратом (без  повреждения отделить невозможно), образует разные округлые или неправильной формы пятна.
Чешуйчатый	Является разновидностью накипной жизненной формы, но выделяется некоторыми лихенологами в самостоятельную. Слоевище в виде округлых или неправильной формы пятен и розеток, в центре накипное, плотно срастающееся с субстратом, по краям приподнято в виде небольших чешуек, через несколько лет все слоевище может состоять из одних чешуек разных размеров.
Пластинчатый	Является разновидностью накипной жизненной формы, но выделяется некоторыми лихенологами в самостоятельную. Слоевище в виде округлых или неправильной формы пятен и розеток, в центре накипное, плотно срастающееся с субстратом, по краям бородавчатое, образует маленькие лопасти, распростертые и плотно прижатые к поверхности субстрата (но не сросшиеся с ним).
Листоватый	Таллом имеет плоские лопасти, листообразный, образует плоские округлые или неправильной формы розетки, распростертые по субстрату, прикрепляется ризинами (тонкие щетинкообразные выросты на нижней стороне слоевища) или срастается всей нижней поверхностью с субстратом.
Кустистый	Таллом имеет плоские или округлые веточки, образует прямостоячие или повисающие кустики, прикрепляется к субстрату с помощью гомфа или срастается с субстратом основанием кустика.

 

Многочисленные исследования в районах промышленных объектов на заводских и прилегающих к ним территориях показывают прямую зависимость между загрязнением атмосферы и сокращением численности определенных видов лишайников. Особая чувствительностьлишайниковобъясняется тем, что они не могут выделять в среду поглощенные токсические вещества.

По мере приближения к источнику загрязнения слоевища лишайника становятся толстыми, компактными и почти совсем утрачивают плодовые тела, обильно покрываются соредиями. Дальнейшее загрязнение атмосферы приводит к тому, что лопасти лишайников окрашиваются в беловатый, коричневый или фиолетовый цвет, их талломы сморщиваются и растения погибают.

На городской территории выделяют уровни – так называемые “зоны лишайников” (табл. 2).

Таблица 2 [2].

Встречаемость лишайников в разных частях города в зависимости                                                    от среднего количества диоксида серы в воздухе.

Зоны лишайников	Район города	Концентра­ция диоксида серы
“Лишайниковая пустыня” (отсутствуют листоватые и кустистые лишайники)	Центр города и про­мышленные районы с сильно загрязнен­ным воздухом.	Свыше 0,3 мг/м3
“Зона угнетения” (флора бедна)	Районы города со средней загрязненностью.	0,05-0,3 мг/м3
“Зона нормальной жизне-деятельности”. (максимальное видовое разнообразие; встре-чаются, в том числе и кустистые виды.)	Периферийные районы и пригороды.	Менее 0,05 мг/м3

 

Таким образом, методы оценки загрязненности атмосферы по встречаемости лишайников основаны на следующих закономерностях.

1. Чем сильнее загрязнен воздух города, тем меньше встречается в нем видов лишайников (вместо десятков может быть один-два вида).

2. Чем сильнее загрязнен воздух, тем меньшую площадь покрывают лишайники на стволах деревьев. При повышении загрязненности воздуха исчезают первыми кустистые лишайники (растения в виде кустиков с широким плоским основани­ем); за ними – листоватые (растут в виде чешуек, отделяющихся от коры); последними – накипные (имеют слоевище в виде корочки, сросшейся с корой).

На основании этих закономерностей можно количественно оценить чистоту воздуха в конкретном месте микрорайона школы.

Лихеноиндикационные исследования имеют как свои плюсы, так и минусы. К несомненным достоинствам нужно отнести низкие материальные затраты на их реализацию, оперативность, способность охватить значительные по площади территории, возможность получения достоверного интегрированного показателя степени нарушенности растительного компонента конкретно геосистемы под влиянием определенных негативных факторов, сопряженных во времени и локализованных в пространстве, лишайники очень медленно растут и долго живут, за ними легко ухаживать и их просто пересаживать, у лишайников нет сосудистой системы, виды лишайников варьируют к SO2 от очень чувствительных до невосприимчивых, лишайники более чувствительны к низким концентрациям SO2, чем высшие растения, отмечена хорошая корреляция между распространением лишайников и концентрацией SO2 в окружающем воздухе. К недостаткам следует отнести слабую способность к регенерации, ответная реакция лишайников на воздействие высоких концентраций SO2 замедленная, подсчет и определение видов лишайников достаточно трудоемки, а также необходимость учета мультивариантности действия всех известных факторов среды в комплексе с антропогенным влиянием на лишайниковый компонент биогеоценозов (это справедливо в отношении всех без исключения живых объектов, а также естественных, смешанных и искусственных геосистем вообще) и невозможностью дать абсолютные значения концентрации поллютантов в воздухе в отличие от физико-химических методов [16].

Для школьных исследований лихенологические работы вполне доступны, что доказывает опыт зарубежных стран. Из множества методик, применяемых в лихеноиндикации, можно предложить изучение динамики проективного покрытия и частоты встречаемости эпифитных видов лишайников вдоль трансект, сложенных от источников загрязнения, и картирование этих параметров методом квадратов.

В качестве объектов исследования лучше всего подходят листоватые или кустистые эпифиты с крупными слоевищами достаточно яркой окраски, имеющие хорошую чувствительность к загрязнению воздуха.

Определение проективного покрытия и частоты встречаемости.

Оборудование: лупа, компас, палетка, рулетка (1,5 м).

Палетка представляет собой квадратный кусок оргстекла раз­мером 10´10 см, расчерченный процарапанными линиями на ква­драты 1´1 см. Площадь палетки принимается за 100 %, один квадрат будет состав­лять 1 %. Если талломы выбран­ных видов лишайников не образу­ют сомкнутых скоплений, реко­мендуется обвести контуры каждого отдельного слоевища фломастером и затем подсчитать их суммарное проективное покрытие. После этого контуры необходимо стереть мокрой губкой, чтобы они не мешали при дальнейших замерах. При измерении проективного покрытия кустистых видов надо плотно прижать палеткойих слоевища к поверхности коры, следя при этом, чтобы они не сбивались в комки, т.к. результаты будут ошибочны. Проективное покрытие определяется для каждого вида лишайника отдельно.

Методика.

1. Проективное покрытие и частота встречаемости лишайников определяются на отдельно стоящих, старых, растущих верти­кально деревьях одной породы (например, только на тополях или только на липах). На территории зеленого насаждения можно брать сразу несколько древесных пород для сравнения. Для определения проективного покрытия берут выборку не менее 10 стволов одной породы, для определения частоты встречаемости — не менее 50.

2. Проективное покрытие определяется на всех деревьях на одной высоте с четырех экспозиций (на северной, южной, западной и восточной частях ствола – определяется по компасу). Наиболее часто замеры делают на высоте 1,5 м (уровень груди), но можно делать их и у основания ствола (0,5—0,7 м).

3. Для определения частоты встречаемости вида лишайника осматривают все дерево от основания ствола до нижних ветвей. При этом важен сам факт наличия растения на дереве, но можно также отмечать и степень его обилия (очень редко, редко, достаточно часто, часто, очень часто).

4. Полученные результаты заносятся в полевые дневники в виде таблиц. Пример таблицы для полевых дневников приведен ниже (таб. 3).

Таблица 3 [28].

Проективное покрытие ___________________________________________________(вид лишайника)

Местонахождение __________________________(название зеленого насаждения и его координаты)

 

 

№ дерева	Порода	Экспозиция ствола				Среднее пр.п.
		Север	Юг	запад	восток
1
2
3

 

Обработка результатов. Для каждого дерева высчитывается среднее проективное покрытие, полученные данные заносятся в таблицу. После определения среднего проективного покрытия для каждого модельного, дерева можно высчитать среднее проективное покрытие эпифитных лишайников в обследуемом зеленом насаждении (парке, сквере, саде, лесопарке) по отдельным древесным породам (тополя, липы, березы и др.).

Частоту встречаемости рассчитывают по формуле:

                                        

где R — коэффициент встречаемости (в %),

  А — число деревьев, на которых отмечен вид лишайника,

  В — общее число обследованных деревьев [28].

Для каждого вида лишайника по каждой отдельной древесной породе высчитывается значение частоты встречаемости, получен­ные данные заносятся в таблицу. Так же можно вычислить общую частоту встречаемости каждого вида лишайника на всех древесных породах для всего обследованного зеленого насаждения.

Выявление зон с загрязненным воздухом методом трансект.

Для выявления зон с разным уровнем загрязнения воздуха на местности от источника вредных веществ закладываются трансекты в нескольких географических направлениях с учетом господ­ствующих ветров (данные по розе ветров можно получить из метеорологических справочников или на местной метеостанции). Вдоль трансект через определенное расстояние (вблизи, 200—500, 400—1000, 800—2000 м и далее) закладываются пробные площади, на которых проводят измерения проективного покрытия и частоты встречаемости лишайников-биомониторов. Если есть опыт работы и необходимая литература (определители, справоч­ники), можно сделать сборы и выявить полный видовой состав эпифитных лишайников в данной точке.

После обработки полученных данных (среднее проективное покрытие по видам и древесным породам, частота встречаемости по видам и породам, наличие в лихенофлоре видов с определен­ной жизненной формой) делаются выводы об изменении качества атмосферного воздуха по мере удаления от источника загрязнения вдоль трансект (таблица 3). На карте точки со сходными лихеноиндикационными показателями соединяют линиями, выделяя, таким образом зоны с определенным уровнем загрязненно­сти воздуха.

Выявление зон с загрязненным воздухом методом квадратов.

Для выявления зон с разным уровнем загрязнения воздуха исследуемая территория разбивается на квадраты (наносятся на карту). Размеры квадратов варьируют в зависимости от размеров охватываемой территории (небольшие населенные пункты – 0,2´0,2 км, средние – 0,5´0,5 км, крупные города и промзоны – 1´1 км, большие массивы естественных насаждений леса, болота – 2´2км или 4´4 км). В границах квадратов закладываются пробные площади, на которых проводят измерения проективного покрытия и частоты встречаемости лишайников-биомониторов. Если есть опыт работы и необходимая литература (определители справочники), можно сделать сборы и выявить полный видовой состав эпифитных лишайников в данной точке.

После обработки полученных данных (среднее проективно покрытие по видам и древесным породам, частота встречаемости) по видам и породам, наличие в лихенофлоре видов с определенной жизненной формой) делаются выводы о качестве атмосферного воздуха в границах каждого квадрата (таблица 4). На карте квадраты со сходными лихеноиндикационными показателями отмечают одинаковым цветом, выделяя, таким образом, зоны с определенным уровнем загрязненности воздуха.

Таблица 4 [28].

Качественная оценка уровня загрязненности атмосферного воздуха газообразными и твердыми поллютантами по наличию лишайников определенных жизненных форм

Зона	Качественный уровень загрязненности воздуха	Жизненная форма
		Накипные	Листоватые	Кустистые
1	Очень высокий. “Лишайниковая пустыня”	?	?	-
2	Высокий	+	+	?
3	Средний	++	++	+
4	Низкий	+++	+++	++
5	Очень низкий. Фоновый уровень загрязнения атмосферы	+++	+++	+++

Примечание:? - возможны находки зачаточных слоевищ, + — малоечисловидов, ++ — значительное число видов, +++ — очень большое число видов лишайников.

 

Иногда устойчивость лишайников к загрязнению обусловлена внешними условиями. Хорошо смачиваемое слоевище страдает от загрязнения больше, чем плохо смачиваемое. Если субстрат, на котором растет лишайник, имеет щелочную реакцию, то переносить загрязнение ему легче. Важным является и преобладающее в данной местности направление ветров, несущие губительные газы и пыль. Но иногда в объяснении причины устойчивости лишайника к загрязнению надо искать внутри самого лишайника. Большую роль играет проницаемость клеток, присутствие некоторых лишайниковых веществ, нейтрализующих кислотные выпадения [26]. Исчезновение эпифитных лишайников при появлении воздушного загрязнения происходит постепенно и зависит от концентрации вредных веществ, а также от особенностей субстрата, на котором они растут, но есть у лишайников враги и в мире животных. Например, большой вред им наносят им слизни, улитки и некоторые насекомые. Одним из факторов, влияющих на произрастание эпифитных лишайников, является естественная кислотность коры. Значение pH коры у древесных растений различно, и они условно делятся на три группы по этому показателю:1) деревья с кислой корой – сосна, ель, лиственница, пихта, береза (pH=3.4-3.7);2) деревья с умеренно кислой корой - дуб, платан, ольха, ивы разных видов (pH=4.1-5.1); 3) деревья с так называемой субнейтральной или нейтральной корой – тополя разных видов, вяз, липа, осина, ясень (pH=5.3-5.9). При увеличении концентрации диоксида серы в воздухе происходит подкисление коры (особенно ее поверхностного слоя), если же в воздухе присутствует цементная пыль или известь содержащие вещества, происходит подщелачивание коры. Для примера приводится таблица 5, в которой обобщены данные наблюдений ученых лихенологов за реакцией лишайников на подкисление деревьев, относящихся к разным группам.

Таблица 5[28].

Последовательность исчезновения накипных лишайников

при умеренном загрязнении воздуха диоксидом серы

(среднегодовой уровень – 30-170 мг/м3 воздуха).

Этап	Характеристика этапа
1	Лишайники исчезают с деревьев с кислой корой и низкой буферной способностью (хвойные и береза).
2	Чувствительные виды лишайников исчезают с деревьев с умеренно кислой корой (дуб, платан, ольха, ива). По мере закисления коры флора лишайников обедняется с одновременным увеличением доли в ней видов, устойчивых к диоксиду серы.
3	Эпифитные лишайники исчезают с деревьев с субнейтральной / нейтральной корой и высокой буферной способностью (тополя, вяз, липа, ясень, осина).

При проведении лихеноиндикационных исследований необходимо учитывать всю информацию, так как от этого зависят точность и правильность оценок качества воздуха.