2. Використання рослин в моніторингових дослідженнях.

Вищі та нижчі рослини можуть бути використані як біомонітори забруднення середовища в двох випадках:

• якщо вони накопичують в своїх тканинах забруднюючі речовини в значно більш високих концентраціях, ніж відповідні концентрації в середовищі;

• якщо їх чутливість до впливу певних забруднюючих речовин різко відрізняється від чутливості всіх останніх рослин.

За особливостями реакції на вплив забруднювачів рослини поділяють на рослини-індикатори та рослини монітори.

Рослина-індикатор - це така рослина, у якої ознаки пошкодження з’являються під час дії на неї фітотоксичної концентрації однієї забруднюючої речовини, або їх суміші.

Рослина індикатор є хімічним сенсором, який може виявити в повітрі присутність забруднюючої речовини, але спостереження за нею не дають змоги отримати дані про її кількість.

Індикаторами можуть бути такі рослини, які акумулюють у тканинах забруднюючу речовину або продукти метаболізму, утворені внаслідок взаємодії рослини із зовнішніми чинниками: важкими металами ( свинець і кадмій), газоподібними речовинами (фтористий водень, сульфат). Внаслідок їх дії у рослин можуть змінюватися парараметри розвитку: швидкість і якість росту, дозрівання, цвітіння, утворення плодів і насіння, процесів розмноження; знижуватися продуктивність і врожайність. Кожний параметр окремо або їх комплекс можна використати, щоб визначити наявність забруднюючих речовин у повітрі і у контрольованих умовах для того, щоб зіставити ознаки ушкодження або зміни у стані рослини з наявністю певної забруднюючої речовини або їх суміші.

Отже поява у рослин типової ознаки ушкодження вказує на наявність у повітрі забруднюючої речовини або їх суміші.

Зважаючи на важливість кількісної оцінки, особливо інформативними є організми, які у певний спосіб реагують саме на кількість забруднювача у довкіллі, тобто рослини-монітори.

Рослина монітор – рослина, за ознаками ушкодження на якій можна отримати інформацію про кількість забруднюючих речовин або їх суміші у довкіллі.

Звичайно, з цією метою використовують різноманітні прилади. Однак прилади дорогі, тому рослини монітори мають ряд переваг над ними:

- дешеві;

- легко відновлюються;

- швидко розмножуються;

- мають типову відповідну реакцію на вплив.

Для кількісної оцінки забруднення за допомогою рослин-моніторів необхідно провести попереднє визначення деяких залежностей між реакцією рослини на забруднення і концентрацією цієї речовини в довкіллі. Для цього існує три основні способи:

1.Співставити ступінь пошкодження рослини, спричиненого забруднюючою речовиною з відомою концентрацією забруднюючої речовини в навколишньому середовищі;

2.Використати рослину як живий колектор (накопичувач забруднюючих речовин) з подальшим визначенням кількості токсиканта (наприклад мох Hyphum cupressiforme здатний поглинати цинк, свинець, кадмій, нікель, мідь і марганець та накопичувати їх у своїх тканинах в десятки разів більше, ніж в оточуючому середовищі).

3.Визначити кількість забруднюючої речовини (або метаболіту, що з’являється у відповідь на пошкодження в рослинній клітині) та порівняти отримане значення з концентрацією забруднюючої речовини в середовищі.

Через генетичну неоднорідність рослин різні види і сорти по-різному реагують на вплив забруднюючих речовин. Одні види можуть певним чином реагувати на вплив лише однієї забруднюючої речовини. Деякі – на вплив двох, або більше речовин. Інші не реагують взагалі, або реакція їх дуже слабка. Тому слід вибирати такі види або сорти, які мають конкретну типову відповідну реакцію.

Визначити за допомогою рослин ступінь забруднення повітря, грунту або води шкідливими речовинами – означає вирішити лише частину проблеми. Потрібно ще позбутися шкідливих домішок. Використання навіть дуже гарних дорогих фільтрів не може повністю припинити надходження шкідливих речовин до довкілля. На допомогу, знову ж таки, приходять рослини. Вони сприяють доочистці повітря, стічних вод, грунтів. Роль рослин в детоксикації шкідливих забруднювачів довкілля неоднакова і залежить як від екологічної групи, так і їх видових особливостей.

Суттєве підвищення концентрації певних хімічних елементів на окремих ділянках біосфери призвели до того, що під час еволюції деякі рослини стали рости за високого вмісту цих елементів. Такі рослини отримали назву рослин-індикаторів-моніторів. Серед них виділяють універсальні і локальні індикатори.

Універсальні ростуть виключно в районі з підвищеним вмістом конкретного елементу, а локальні – часто широко розповсюджені і лише в окремих районах за певних умов стають індикаторами забруднення.

Рослини за особливостями поглинання певних хімічних елементів поділяють на концентратори і деконцентратори. Потрапляння в звичайні рослини (не концентратори) підвищеної кількості певних елементів спричинює ряд фізіологічних і морфологічних змін. Вони настільки характерні, що можуть індикувати забруднення.

Оцінювання реакції рослин на забруднення.

У польових умовах необхідний ретельний відбір рослин для встановлення залежності “доза – відповідна реакція”. Якщо рослина реагує на вплив ушкодженням листків, зміною темпів росту, врожайності, слід експериментально зясувати, як вона реагує на різні дози однієї і тієї самої речовини або суміші.

Ушкодження листя можна аналізувати за допомогою серії фотознімків методом прямих порівнянь знімків ураженого листя з контрольними знімками листя рослин, які зазнали впливу відомих концентрацій забруднюючих речовин в лабораторних умовах. Поділ досліджуваної ділянки з великою кількістю рослин на квадрати дає змогу виразити кількісно дані про пошкодження листя, зясувавши кількість їх ушкоджень; чисельність ушкодження на одиницю поверхні. За допомогою лінійних графіків можна відобразити залежності ушкодження листя від періоду дії та дози забруднюючої речовини. Ці криві можна порівняти з кривими “доза – відповідна реакція”, отриманими в лабораторних умовах. У такий спосіб можна визначити якісний склад повітря протягом певного періоду і встановити вид забруднюючої речовини або склад суміші.

Певний метод кількісної оцінки обирають залежно від рослинного матеріалу, забруднюючої речовини та вимірюваних параметрів, які потребують дослідження. Ступінь ушкодження листя трав’янистих рослин зясовують візуально, визначаючи площу ( у відсотках) ушкодженої поверхні поверхні листка. У разі спостереження за хвойними рослинами оцінюють довжину голок, їх колір і форму, вік хвої, кількість ушкодженних голок на гілці ( у відсотках).

Результати спостереженння можна обєднати в дві групи:

• площа ушкодженої листкової поверхні ( у відсотках);

• площа нових ушкоджень кожної рослини за визначений період часу.

Якщо рівень забруднення визначається за обсягом поглинання забруднюючої речовини, з’ясовують кількість забруднюючої речовини або кількість метаболітів, спричинених забруднювачем. Вміст сульфату в тканинах слід зіставити з концентрацією SO₂ в навколишньому середовищі, фтору – із концентрацією HF. Для порівняння результатів різних досліджень необхідна стандартизація методів збирання та оброблення рослинного матеріалу і приладів, які використовуються.

Рослини-колектори можна успішно використовувати для моніторингу важких металів. Наприклад, лишайники накопичують метали не тільки в листі, а й поглинають їх тілом та акумулюються в тканинах. Висушивши, зваживши і здійснивши хімічний аналіз тканини зібраних рослин, можна визначити кількість поглинутого металу.

Відбір і підготовка біологічних матеріалів для біомоніторингу.

Отримання достовірних, повних і точних даних за допомогою біоіндикації можливе лише у разі точного дотримання низки вимог. Так, при виборі рослини для використання її в ролі біомонітора необхідно дотримуватися таких умов:

• наявність у рослини вираженої реакції на вплив забруднюючої речовини, тобто помітних ознак ушкодження, змін швидкості росту, морфологічних змін, порушень цвітіння, змін продуктивності або врожайності;

• відбір рослин, невибагливих до умов вирощування і догляду;

• відбір рослин, які мало піддаються впливу шкідників та хвороб.

Отримання усереднених зразків матеріалів рослинного походження ( сформованих з 5-6 разових проб) є складним завданням, що потребує правильного обрання місця, способу і часу. Рослинні зразки слід збирати на достатньо великій відстані від будівель, доріг і джерел забруднюючих речовин. Досліджувану ділянку умовно розділяють на кілька квадратів, з кожного рівномірно відбирають рослинний матеріал ( листя, стебла, кору) в необхідній кількості. Пробу рослин ( цілі чи окремі частини) збирають у першій половині дня за сухої погоди. На ранніх стадіях розвитку ( 2-3 листки) у ній має бути не менше 10 рослин з одного гектара; для гречки, гороху, зернових – 25-30; у високорослих рослин беруть нижні, добре розвинуті листки ( не менше 50 рослин). Проба повинна бути репрезентативною, тобто забезпечувати відповідність її хімічного складу хімічному складові аналізованого матеріалу ( наприклад, кількість рослинного матеріалу квітів – 300 г, подрібненого листя і трави – 200 г, трави – 400-600 г, кори і коренів – 600-650г).

Паралельно з відбором проб проводять біологічний облік відібраних рослин ( висота рослин, кількість пагонів на одній рослині, фази розвитку).

Аналізи рослинних зразків проводять відразу, або зберігають їх у холодильнику.

Призначений для аналізу рослинний матеріал передусім очищують від піску, землі та інших механічних домішок. Після цього листки, плоди і насіння обов’язково просушують до повітряно сухого стану ( крім випадків коли потрібно зробити аналіз рослинного зразка у сирому вигляді), пробу гомегенізують ( подрібнюють). Сирі рослинні матеріали подрібнюють у міксері або іншому гомогенізаторі, використовуючи чистий скляний посуд і зроблене із нержавіючої сталі дробильне обладнання. Інтенсивної вентиляції зразка при гомогенізації треба уникати, бо це може призвести до втрат деяких компонентів, особливо тих які легко окислюються.

Сухі і висушені продукти ( зерно, насіння) подрібнюють спеціальними млинками, іноді просівають ситом із визначеними розмірами отворів, щоб отримати потрібну зернистість. Зразки біологічного походження перед аналізом, зазвичай, мінералізують сухим ( спалювання органічної речовини за вільного доступу повітря, в результаті чого залишаються мінеральні елементи переважно у вигляді оксидів металів) або вологим ( озолювання органічної речовини розчинами кислот, внаслідок чого утворюється розчин з мінеральними речовинами) методами. Щоб при сухій мінералізації ( оголенні) не втратити летючі компоненти, рослинний зразок нагрівають до температури не вище 450⁰C. Оскільки при цьому у більшості випадків не вдається повністю позбутися органічних компонентів, до золи додають концентровану азотну кислоту і випаровують насухо. Для позбавлення від решток вуглецю використовують метод випарювання із соляною кислотою на піщаній бані. Елементи мінерального залишку визначають за допомогою певних хімічних реакцій.

У деяких випадках застосовують метод мінералізації зразка вологим способом за допомогою таких речовин, як азотна кислота, азотна кислота і соляна кислота з добавкою перекисю водню, сірчана кислота і соляна кислота. У досліджувану пробу доливають суміші кислот, залишають на певний період до обвуглення рослинної маси. Після цього розчин підігрівають на слабкому вогні 5-7 хв. До утворення однорідної коричнево-бурої маси, температуру озолення підвищують і продовжують його. Повне озолення триває 15-20хв. Після його закунчення розчин охолоджують, розбавляють дистильованою водою і визначають потрібні елементи, застосовуючи характерні для того чи іншого елемента хімічні реакції.

Отже, головною умовою достовірності результатів біомоніторингу є правильнее відбирання рослинної проби, її підготовка до аналізу та проведення самого аналізу.