4. Оценка загрязненности атмосферного воздуха с использованием организмов индикаторов

4.I. Обоснование возможности использования растений в качестве биоиндикаторов

Растение-индикатор – это такое растение, у которого признаки: повреждения появляются при воздействии на него фитотоксичной концентрации одного загрязняющего вещества или смеси таких веществ. Растение-индикатор является химическим сенсором, который может обнаружить в воздухе присутствие загрязняющего вещества. Для мониторинга в большей степени характерна не качественная, а количественная оценка. Поэтому растение-монитор должно не только быть индикатором, но и помогать в получении количественной опенки.

Индикаторами могут быть также те растения, которые аккумулируют в тканях загрязняющее вещество или продукты метаболизма, получаемые в результате взаимодействия растения и загрязняющего вещества. К таким веществам относятся тяжелые металлы (свинец и кадмий) и газообразные, такие, как фтористый водород (HF) или сульфат (SO₄), являющийся результатом превращения SO₂. В результате воздействия у растений может изменяться скорость роста и созревания, возникнуть ухудшение цветения, образования плодов и семян, измениться процесс размножения (в репродуктивном цикле) и в конечном счете снизиться продуктивность и урожайность. Каждый или все эти параметры вместе можно использовать для того, чтобы определить наличие загрязняющих веществ в окружающем воздухе и обеспечить таким образом проведение экспериментов в контролируемых условиях с тем, чтобы соотнести признаки повреждения или изменение в состоянии растения с определенным загрязняющим веществом или их смесью. Многочисленные исследования позволили установить, что табак сорта «Bel-W3» очень чувствителен к озону. При воздействии определенными концентрациями озона у этого сорта табака появляются характерные признаки повреждения. Также было показано, что завязывание плодов и урожайность томата, сорт «Tiny Tim», значительно уменьшаются при хроническом воздействии на это растение низких концентраций озона. У соевых бобов (определенные сорта) при воздействии определенными дозами SO₂ появляются признаки повреждения, изменяются скорость роста и урожайность. Многие другие виды и сорта растений также могут быть индикаторами загрязняющих воздух веществ.

Некоторые растения, особенно лишайники и мхи, известны как накопители загрязняющих воздух веществ, в основном тяжелых металлов, которые эти растения могут аккумулировать до уровней, значительно превышающих их концентрацию в окружающей среде.

Появление у растения «типичного» признака повреждения или наличие в нем измеряемого количества метаболитов или тяжелых металлов указывает на присутствие в окружающем это растение воздухе загрязняющего вещества или смеси таких веществ.

Нерешенным остается основной вопрос: каким способом необходимо обрабатывать результаты этих наблюдений для того, чтобы превратить растение-индикатор в растение-монитор

Рассмотрим проблему более подробно. Если количество загрязняющего вещества можно точно измерить с помощью прибора, почему не попробовать сделать то же самое с растениями, являющимися живыми существами, способными изменяться?

Одним из лимитирующих факторов являются значительные затраты. Например, прибор для измерения озона может стоить более 5000 ам. долларов. Для его работы необходимы также энергопитание, постоянное калибрирование и наблюдение за функционированием. Мониторы для измерения содержания двуокиси серы стоят примерно столько же, a «Panalyser» может стоить еще дороже. Пробоотборники для сбора твердых частиц, взвешенных в воздухе, также дороги и нуждаются в уходе. Все эти приборы отличаются высокой чувствительностью и не приспособлены для работы в суровых климатических условиях. Они являются основными инструментами для исследований, но стоимость хорошо оснащенной сети мониторинга, использующей подобные приборы, намного превышает возможности большинства организаций, связанных с мониторингом загрязнения или мерами по снижению его уровня. Другим лимитирующим фактором использования такой дорогостоящей и чувствительной аппаратуры на отдельных станциях является значительное воздействие неконтролируемых факторов окружающей среды на функционирование приборов. Контролирование этих факторов возможно лишь при затрате значительных средств. И, наконец, по мере совершенствования этой работы данные, полученные с помощью определенного прибора, могут считаться уже не такими ценными с точки зрения ведущих организаций, ответственных за установление критериев и стандартов.

Что может дать зеленое растение? Оно недорого, легко воспроизводится, быстро размножается и по-разному реагирует на воздействия, тем самым предоставляя возможность выбрать одну или несколько наиболее подходящих ответных реакций для конкретного исследования. Можно также выбрать или недолговечные (травянистые) растения, которые обновляются каждый сезон или несколько раз в течение одного вегетационного периода, или древесные растения (деревья и кустарники), которые можно высадить на нужных участках и которые будут расти и являться индикаторами продолжительное время, не требуя большого ухода.

Однако мы хотели, чтобы наш индикатор стал монитором, т. е. мог бы давать и количественную, и качественную оценку состояния воздуха. С этой целью мы должны определить и использовать некоторые зависимости между реакцией растения на загрязнение и концентрацией этого вещества в окружающей среде.

В этом плане существуют три основных способа.

Первый – сопоставить степень вызванного загрязняющим веществом повреждения с известной концентрацией загрязняющего вещества в окружающей среде.

Второй – использовать растение как живой коллектор,

третий – измерить количество загрязняющего вещества или связанного с ним метаболита, появляющегося в растительных тканях после воздействия этого вещества, и соотнести полученное значение с концентрацией загрязняющего вещества в окружающем воздухе.

Естественно растущие или высаженные растения подвергаются воздействию всего спектра загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе. По мере роста растений происходит интеграция всех стрессов. В результате наблюдается или нормальное развитие растения, или замедление его роста, уменьшение числа цветков, отсутствие семян, пятнистость листьев или обесцвечивание хвои, или полное прекращение роста.

Вследствие присущей растениям генетической изменчивости различные виды и сорта растений по-разному реагируют на воздействие загрязняющих веществ. Один вид растений может определенным образом реагировать на воздействие только одного загрязняющего вещества. Некоторые виды растений реагируют на воздействие двух или более загрязняющих веществ; другие виды не реагируют вообще или их ответная реакция на воздействие того же вещества очень слаба. Реакции некоторых сортов и видов растений на воздействие загрязняющих веществ или их смеси очень разнообразны. Поэтому следует выбирать те виды или сорта, которые дадут определенную реакцию на воздействие данного загрязняющего вещества. Разнообразие реакций мхов, папоротников, голо- и покрытосеменных на воздействие загрязняющих веществ позволяет отбирать определенные виды или сорта растений в целях использования их в качестве биоиндикаторов и/или биомониторов.

Использование природных популяций в сочетании с работой по разведению и селекции с целью получения устойчивых и чувствительных к воздействию загрязняющих веществ растений должно привести к получению видов растений, пригодных для мониторинга загрязнения воздуха.

В результате этих усилий со временем будет получен необходимый растительный материал, однако многое еще предстоит сделать в плане организации сети мониторинга, основанной на ответных реакциях живых растений. В качестве объектов слежения в этой системе мониторинга можно использовать признаки повреждения растений, изменения в росте и размножении, снижение урожайности и/или продуктивности, а также изменение в распространении видов. Однако все эти ответные реакции в свою очередь в значительной степени зависят от возраста растения, факторов окружающей среды и способов возделывания почвы. Тип почвы, содержание в ней питательных веществ, относительная влажность, топографические и метеорологические условия – все эти факторы влияют на тип ответной реакции определенного растения на воздействие определенной концентрации или дозы любого загрязняющего вещества или смеси таких веществ. В связи с изменчивостью даже в пределах избранной популяции растений на станциях мониторинга необходимо использовать большое число растений и размещать растения с учетом направления ветров, несущих загрязняющие вещества, таким образом, чтобы они подвергались максимальному воздействию этих ветров.

Толерантные и невосприимчивые разновидности одного и того же вида растения могут быть высажены на выбранном участке для получения ответной реакции на воздействие какого-либо загрязняющего вещества. Можно использовать целый сад, в котором посажено несколько видов растений, каждый из которых чувствителен к воздействию различных загрязняющих веществ или их смеси.

Растения можно высаживать в горшках корзинах или ведрах или выращивать непосредственно в почве на подготовленном участке. Ошима использовал автоматическую оросительную установку для своей «биологической индикаторной системы мониторинга воздуха», таким образом растения могли в течение недели находиться без ухода в условиях сухого климата Калифорнии. Для минимизации ошибок следует использовать одну и ту же почвенную смесь и/или тип почвы для всех растений на сети мониторинга. Растения, высаженные прямо в землю, должны иметь лунку, заполненную определенной почвенной смесью.