Р.А. Коловский, М.А. Бучельников
ГПЗ «Столбы», КГУ

Введение

Многообразие поллютантов, которые уже сейчас исчисляются тысячами наименований, делает невозможным определение степени их токсичности лабораторными методами. Ввиду этого оценка качества среды становится узловой проблемой в области охраны природы, в частности в проведении лесного мониторинга. В последние десятилетия для интегральной характеристики состояния среды стали интенсивно изучаться и применяться методы биологической оценки (Мэннинг, Федер, 1995; Захаров, Кларк, 1993). Только биотесты могут всесторонне охарактеризовать все многообразное воздействие поллютантов и пригодность среды для живой природы, оценить ее в показателях, имеющих биологический смысл.

Кроме оценки антропогенного воздействия, важным является применение биотестов для постоянного слежения за средой в целях понимания общих тенденций ее изменения как в локальном так и в региональном масштабе. И все же главным в понятии биоиндикации является не оценка присутствия какого-либо ограничивающего параметра среды, а реакция растений, биологическое воздействие этого фактора среды. При этом важным в свойстве биотеста является способность к ранней индикации и при минимальном накоплении загрязняющих веществ.

В соответствии с различными уровнями биологических систем существуют и различные уровни биоиндикации, от физиолого-биохимических и анатомо-морфологических до биогеоценотических и ландшафтных, но в основном используются первые уровни как более чувствительные (Мэннинг, Федер, 1985; Биоиндикация..., 1988).

В зависимости от лесорастительных условий, степени загрязнения, возможности исследователей, в качестве биотестов используются самые различные компоненты фитоценозов: от хвои и листвы древесных растений, кустарничков, сосудистых растений до мхов и лишайников. Последние в силу своих специфических свойств получают в наше время все большее применение. Чувствительность лишайников к атмосферному загрязнению отмечена еще в прошлом веке (Air pollution and lichens, 1973; Горшков, 1990). Причина их повышенной ранимости в анатомических, морфо-физиологических особенностях этого древнего симбионта. Так малую устойчивость лишайников некоторые исследователи связывают с высокой чувствительностью пигментов водоросли р. Trebouxia (фитокомпонента большинства видов лишайников) к кислотности среды. Восприимчивость лишайников к загрязнению среды основана также и на малой степени «избегания» стрессов, что связано со строением слоевищ (Lichens as bioindicators, 1993; Шапиро, 1996). Следует добавить, что это свойство лишайников еще определяется большой продолжительностью жизни, отсутствием органов водо- и газообмена (устьиц и кутикулы) и, как следствие, малой способностью к авторегуляции из-за отсутствия защитных барьеров и сильной зависимости от физико-химических свойств среды (Михайлова, Воробейчик, 1995; Жидков, 1998).

К положительным в смысле оценки степени загрязнения свойств, помимо перечисленных, относятся также: 1) малая стоимость и быстрота диагностики; 2) ввиду их распространенности возможность охвата больших территорий; 3) интегральный результат за многие годы действия атмосферного загрязнения.

Принято считать, что наиболее резистентными к воздушным поллютантам являются накипные лишайники, далее следуют листоватые формы и самые чувствительные кустистые виды, т.е. чувствительность напрямую зависит от морфометрических особенностей слоевища. Наконец при выборе вида этого биотеста должно учитывать его встречаемость, это дает возможность индикации степени загрязнения как в локальном, так и в региональном плане и соответственно составления карт исследуемых территорий. Кроме того, метод лихеноиндикации как самый чувствительный позволяет прогнозировать во времени уровень жизнедеятельности более устойчивых компонентов лесного фитоценоза: травяно-кустарничкового яруса, взрослых деревьев, возобновления и подроста.

В настоящее время в основном применяются количественные методы оценки состояния лишайников. Один из них заключается в отслеживании изменений видового состава эпифитных лишайников конкретного участка за какой-то период времени, но при этом надо как минимум иметь раннее описание этих видов (Инсаров, 1982).

Второй способ основан на разной чувствительности отдельных видов лишайников и регистрации их распределения по территории. Одновременно визуально фиксируется величина проективного покрытия, степень разрушенности слоевищ и другие морфологические характеристики, подсчитываемые в баллах (Горшков, 1990).

Нетрудно заметить, что эти количественные методы оценки состояния лишайников помимо невысокой точности довольно трудоемки. Более перспективен и надежен качественный метод оценки путем измерения у лишайников, собранных на исследуемой территории, ряда физиологических показателей в лабораторных условиях бесконтактными способами. Таковыми в настоящее время являются методы регистрации флуоресценции хлорофилла и иных параметров пигментного комплекса зеленых растений. Биоиндикационные методы, основанные на флуоресцентных показателях отличаются экспрессностью и высокой точностью (Бучельников, 1999; Веселовский, Веселова 1990).

В связи с вышесказанным, целью данной работы явилось проведение лихеноиндикации на территории ГПЗ «Столбы» с использованием замедленной и быстрой флуоресценции, а также — метода измерения цветовой гаммы.

Материалы и методы

Для исследования уровня жизнедеятельности лихенофлоры были выбраны разные по чувствительности и широко представленные в заповеднике виды: листоватый Hypogymnia physodes и кустистый Usnea longissima. Как свидетельствуют многочисленные литературные данные, именно эти виды являются базовыми при лихеноиндикации в лесах северного полушария. Для них достаточно подробно разработаны методы изучения и видимых и ультраструктурных изменений, коррелирующие с определенными этапами загрязнения (Бязров, 1992). Образцы этих лишайников ежегодно, в течение 3 лет собирались с 12-15 деревьев, в точках, указанных на рис. 1. Большинство опорных точек были выбраны на территории заповедника на начальном этапе проведения работ по экологическому мониторингу в 1993-1994 гг. На них ежегодно (анализ осадков) или эпизодически (анализ хвои, почвы) проводились определения концентрации 10-17 химических элементов, определялся количественный и качественный состав эфирных масел хвои, проводилась визуальная оценка жизненного состояния древостоев по методу В.А. Алексеева (1989) и другие исследования (Летопись природы..., 1994).

Регистрация замедленной и быстрой флуоресценции хлорофилла

Измерение замедленной флуоресценции (ЗФ) проводили на компьютеризированном флуориметре «Фотон-7-1», созданном на кафедре экологии КрасГУ инженером И.С. Кравчуком (Григорьев, Бучельников, 1997). В прибор одновременно загружается 12 кювет диаметром 25 мм. Возбуждение ЗФ и ее регистрация осуществляется с верхней открытой стороны кюветы. Возбуждение производится импульсным светом интенсивностью 120 вт/м2, получаемым путем механического прерывания излучения лампы накаливания. Регистрация ЗФ производится между импульсами возбуждающего света длительностью 15 мсек, следующие с частотой 35 гц.

В качестве показателей ЗФ взято значение амплитуды быстрой (миллисекундной) компоненты затухания послесвечения. Известно, что величина данной компоненты определяется количеством работающих реакционных центров, активностью электронно-транспортной цепи фотосинтеза и величиной градиента протонов на мембране тилакоидов.

В качестве дополнительного параметра выборочно регистрировалась быстрая флуоресценция (БФ) образцов, опосредованно характеризующее содержание хлорофилла в слоевищах.

Измерения ЗФ и БФ лишайников производилось с части слоевища площадью 2 см2 в 11 биологических повторностях. Далее находилось среднее значение. Разброс данных отдельно не указывается, т.к. для данных методов он не превышает 10%.

Регистрация флуоресценции лишайников производилось с части слоевища площадью 2 см2. Таким образом достигалось постоянство размеров образца что, соответственно, давало возможность сравнивать абсолютные показатели флуоресценции.

Регистрация изменений цветовой гаммы образцов

Изменения в цветовой гамме образцов регистрировались с помощью планшетного сканнера Mustek ScanExpress. Получаемое изображение было представлено в виде пикселей 256 различных цветов. С помощью специально созданной программы FITOScan<sup class="reg">®</sup>, подсчитывалось число пикселей каждого цвета и их процентное соотношение. Различное количество пикселей всех цветов и составляет определенную количественную характеристику окраски объекта. Тогда разница в окраске образцов из контрольного и загрязненного районов определяться как сумма абсолютных значений разности процентов пикселей каждого цвета. Получаемый показатель, обозначенный как њС, может варьировать от 0 до 200 в случае полного несовпадения в окраске опытного и контрольного образцов (т.е. чем больше значение њС, тем больше разница в цвете, и, вероятно, больше отличий в содержании пигментов в тестируемых растительных объектах). Аппаратная ошибка применявшейся модели сканнера не превышает 2%. Однако из-за неоднородности в окраске объектов разброс значений может достигать 10 относительных единиц. Поэтому достоверность различий њС проверялась по критерию Стьюдента (при n = 10, P = 0,95).

Данный метод отличается тем, что обладая высокой экспрессностью и точностью не требует нестандартного оборудования, весьма прост и дешев в эксплуатации.

Регистрация радиоактивности образцов

Определенный интерес в плане изучения факторов, влияющих на жизнедеятельность лишайников, представляет измерение радиоактивности образцов, произрастающих в зонах выхода на поверхность сиенитовых скал. Последние, как известно обладают повышенным радиоактивным фоном (Летопись природы..., 1994). Измерение радиоактивности производилось дозимет&shy;ром-радиометром РКСБ-4. Регистрировалась b-активность в Бк/Кг или в Ки/Кг.

По материалам измерений ЗФ, характеризующих уровень жизнедеятельности под влиянием атмосферного загрязнения на каждом из выбранных участков, были выполнены карты с изолиниями распределения этого загрязнения по территории заповедника. Для этого по обоим видам лишайников максимальный уровень ЗФ (т.е. максимальный уровень фотосинтетической активности) был принят за 100 %. Значение ЗФ для каждой точки вычислялось как среднеарифметическое у обоих измерений. Методика построения карты подробно описана в одной из статей настоящего сборника.

Результаты и их обсуждение

Выполненные исследования являются неотъемлемой частью всех мониторинговых работ на территории ГПЗ «Столбы». Поводом для проведения в заповеднике полномасштабного экологического мониторинга были факты ухудшения или даже прекращения плодоношения в 80-е годы известных биоиндикаторов загрязнения атмосферы: черники и брусники, исчезновение ряда видов лишайников, а главное — близкое соседство с крупным промышленным центром с его ежегодным выбросом в атмосферу более 200 тысяч тонн токсических веществ. Беспокойство за состояние среды в заповеднике вызывали и многочисленные литературные данные о резком ухудшении состояния лесов Западной Европы, где длительные хронические эмиссии поллютантов, их накопление в почве и растительности привели к «эффекту» превышения «дозы» (Гудериан, 1985; ).

Проведенные в 1993-1997 гг. исследования показали, что на большей части территории заповедника содержание наиболее опасных элементов в почве, хвое, состояние известных маркеров загрязнения среды — эфирных масел хвойных и состояние жизнеспособности древостоев в целом пока мало отличается от фоновых показателей. Исключение составили лишь небольшие участки территории заповедника, граничащие с городом, а также вершины гор, перевалы, где отдельные показатели среды (осадки, почва) близки к критическим (Летопись природы..., 1998). Относительно благополучное экологическое состояние лесного фитоценоза можно объяснить благоприятной розой ветров и значительным превышением большей части территории заповедника над городом.

Исходя из полученных данных приоритетным направлением работ по экологическому мониторингу стало изучение скрытых, минимальных нарушений в природном комплексе, первичные стадии которых тем не менее уже начали проявляться под влиянием хронического атмосферного загрязнения. Именно с помощью лихеноиндикационного метода стало возможным оценить степень этих нарушений на данное время и дать прогноз на будущее.

Результаты измерений флуоресценции образцов лишайников собранных в 1997-1999 гг. с опорных точек приведены в таб. 1 и 2.

Таблица 1.

Параметры состояния образцов Hypogymnia physodes на точках наблюдений

Таблица 2

Параметры состояния образцов Usnea longissima на точках наблюдений

Как видно из таблиц, кустистый лишайник Usnea longissima оказался примерно на 30 % чувствительнее к атмосферному загрязнению, чем листоватый вид — Hypogymnia physodes. Данный факт подтверждается и другими исследователями (Михайлова, Воробейчик, 1995; Горшков, 1990). Далее обращает на себя внимание резкое падение показателей в нижней части таблиц в сравнении с более высокими значениями в предыдущих точках. Объяснение этому можно найти в работе И.Н. Михайлова и Е.Л. Воробейчик (1995) изучавших зависимость «доза — эффект» у лишайников под действием поллютантов. По их данным переход между фоновым и импактным (критическим) состоянием также очень резок и, что очень важно для диагностики, начинается когда фоновый уровень загрязнения для этих лишайников бывает превышен в 1,5 — 2,3 раза. Интересно, что по данным одного из авторов, другие компоненты лесных экосистем более устойчивы и соответствующий переход, например, для травяно-кустарничкового яруса находится на уровне 2,8 — 3,3 фона, для деревьев 3,4 — 4,5 фона, для возобновления — 4,9 — 5,7. Сопоставление этих цифр (1,5 — 2,3 и 3,4 — 4,5) и длительности хронического атмосферного загрязнения для условий Красноярска в 25-30 лет дает основу для оценки во времени жизнеспособности древесных растений на каждом конкретном участке территории заповедника. Следует отметить, что по нашим 4-х летним наблюдениям средняя для всей территории заповедника концентрация поллютантов в осадках превышает евразийский фон на 30%, что, как видим вполне совпадает с данными флуоресцентного анализа лишайников (Летопись природы..., 1998).

В то же время попытка непосредственно сопоставить среднегодовую сумму концентраций токсических элементов, выпавших на единицу площади и значений ЗФ по ряду точек для обоих видов лишайников не выявил между ними сильной обратной зависимости (см. табл.3).

Таблица 3

Зависимость между суммой концентраций поллютантов
в осадках и ЗФ образцов лишайников (выборочные данные)

Объяснение этому можно найти в работах, посвященных вопросам реакции лишайников на различные загрязнители (Шапиро, 1995). В них в частности утверждается, что поглощение многих химических элементов не вызывает гибели лишайников: так, например, все поглощенные тяжелые металлы связываются с клеточной стенкой микобионта и не достигают цитоплазмы клеток водорослей. Hypogymnia physodes может переносить практически без ущерба концентрации никеля и меди в 100 раз превосходящие фоновые (Горшков, 1990). По-видимому, состояние лишайников обусловлено комплексом других загрязнителей, разрушающих связи хлорофилл-белкового комплекса и блокирующих синтез белков и липидов (Шапиро, 1995), прежде всего — наличием в составе загрязнения продуктов фотохимических реакций, оксидов серы, оксидов азота, озона. О превалирующей роли в гибели лишайников данных веществ, ускоряющих окислительные процессы и об относительной безвредности тяжелых металлов указывается и в ряде других работ (Бязров, 1992; Lichens as bioindicators..., 1993).

Радиологический анализ лишайникового материала не выявил повышенного содержания радионуклидов в слоевищах (см.таб.4). Этот факт представляет определенный интерес в том плане, что лишайники, обладая весьма сильными абсорбционными свойствами (Air pollution..., 1973) не накопили радиоактивных элементов.

Таблица 4

Удельная радиоактивность образцов проб Hypogymnia physodes
в некоторых районах ГПЗ Столбы.

Результаты радиационного анализа проб лишайника позволяют утверждать, что такой уровень радиоактивности не может быть опасен для биологических объектов. По данным ГосСанэпиднадзора недопустима ак&shy;тивность в 3,7Х10-3 Бк/Кг (1Х10-3 Ки/Кг), но даже этот уровень не может существенно подавлять рост растительных организмов.

Дополнительные параметры С и БФ показали сильную корреляцию с основным применявшимся параметром ЗФ. Коэффициенты корреляции здесь 0,72 и 0,84 (по модулю) соответственно. Это еще раз подтверждает предположение о разрушении именно хлорофилл-белкового комплекса, как о приоритетном процессе в поражении лихенофлоры химическими соединениями.

Хорошей иллюстрацией степени загрязнения атмосферными поллютантами различных участков территории заповедника является карта, построенная по данным таблиц 1 и 2 (рис. 2 и 3). Изолинии распределения по территории жизнеспособности изученных лишайников приведены с сечением в 20% (10% на рис. 3) от максимальной жизнеспособности в 100%, но в принципе, карту можно градуировать и в единицах фона, тогда изолинии характеризующие интервал 0% — 20% жизнеспособности будут соответствовать 1,8 — 2,0 фоновой нагрузки, от 20% до 40% — 1,6-1,8 фона и т.д.

Основным достоинством картографического изложения материала является четкая фиксация границ разной степени загрязненности по территории. Это значительно облегчает планирование дальнейших НИР, конкретизирует местоположение участков повышенной опасности. Вместе с тем, было подтверждено местонахождение этих зон, полученных прежде по цифровым данным. Нашло подтверждение и ранее высказанное предположение о превалирующей роли в загрязнении центральной части территории заповедника трансграничного межрегионального переноса атмосферных поллютантов, поступающих с западных и юго-западных направлений. По-видимому северная, пригородная часть заповедника испытывает помимо локального, от города, и влияние трансграничного переноса, особенно в районе II Столба.

Возможности компьютерной технологии позволили подсчитать на карте площади территорий, подверженных различной загрязненности (см. табл. 5).

Таблица 5

Площади территорий заповедника с различной загрязненностью

Таким образом, на 64,6% территории заповедника уровень загрязнения не превышает околофоновых значений от 1,0 до 1,4.

Проведенные исследования позволяют представить перспективу дальнейших мониторинговых исследований в заповеднике и определить в них место биологического контроля. Несомненно, что лишайники как биоиндикаторы, являются наиболее информативными для анализа качества атмосферного воздуха и осадков, т.е. характеризуют среду, определяющую состояние надземной части лесных фитоценозов, их пигментного аппарата. Между тем известно, что главной причиной ухудшения роста и отмирания леса является деградация почвы в результате накопления в ней токсических веществ, в том числе — тяжелых металлов, поступающих с осадками. Поэтому приоритетной задачей на ближайшее будущее будет являться слежение за степенью фитотоксичности почв в точках, где отмечены аномалии состояния лихенофлоры и повышение концентраций поллютантов в осадках.

Остаются неразработанными до конца методики биоиндикации с использованием древесных растений. Успешно применявшиеся в городской черте приемы (Бучельников, 1999) не могут быть использованы в неизменном виде на территории заповедника прежде всего из-за невозможности быстрой транспортировки проб в лабораторию.

Решение проблем видится в использовании портативных переносных приборов, с помощью которых можно регистрировать интересующие параметры сразу после сбора образцов (листьев, хвои или феллодермы). В этом плане перспективным представляется использование в качестве тест-функции изменения в цветовой гамме объектов (њС). Применив промышленную цифровую фотокамеру (модели Sony Mavica, Olympus-400 или аналоги с любым разрешением) можно получать цветовые характеристики образцов в полевых условиях.

Следует отметить, что представленные карты нуждаются еще в дальнейшей доработке, уточнении деталей. Помимо увеличения числа повторностей анализа по точкам и совершенствования методик определения жизнедеятельности лишайников и других компонентов лесного фитоценоза, следует оптимизировать распределение и увеличить число опорных точек. Идеалом была бы километровая сеть, хотя в горных условиях и она не лишена недостатков.

Литература

1. Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев// Лесоведение 1989 № 4 С.51-57.

2. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. М.: Мир 1988. 348 с.

3. Бучельников М.А. Замедленная флуоресценция хлорофилла в биоиндикации воздушных загрязнений. Автореф. канд. дис. Красноярск, КГУ 1999. 24 с.

4. Бязров Л.Г. Оценка изменения качества воздушного бассейна Подмосковья с помощью эпифитных лесных лишайников// Лесное хозяйство 1992 10 С.13-14.

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

6. Горшков В.В. Влияние атмосферного загрязнения окислами серы на эпифитный лишайниковый покров северо-таежных сосновых лесов В кн. Лесные экосистемы и атмосферные загрязнения. Л.: Наука, 1990 197 с.

7. Григорьев Ю.С., Бучельников М.А. Трансплантационная лихеноиндикация загрязнений воздушной среды на основе замедленной флуоресценции хлорофилла//Экология,1997.№ 6. С.465-467.

8. Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды. М.:Наука,1979. 152 с.

9. Жидков А.Н. Лихеноиндикация состояния сосняков Нижегородской области// Изв. ВУЗов. Лесн. ж., 1998. № 6. С.22-24.

10. Захаров В.М., Кларк Д.М. Биотест. Интегральная оценка здоровья экосистем и отдельных видов. М., 1993. 68 с.

11. Инсаров Г.Э. Об учете лишайников эпифитов на стволах деревьев// Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Л.:Гидрометеоиздат, 1982.5. С.25-33.

12. Летопись природы 1994-1999 гг.

13. Михайлова И.Н., Воробейчик Е.Л. Эпифитные лихеносинузии в условиях кинетического загрязнения: зависимость доза-эффект // Экология, 6. 1995.С.455-460.

14. Мэннинг У.Д., Федер У. Биомониторинг загрязнений атмосферы с помощью растений.Л.:Гидрометеоиздат.1985.143 с.

15. Шапиро И.А. Физиолого-биохимические изменения у лишайников под влиянием атмосферного загрязнения// Успехи соврем. биологии т. 116, вып.2, 1996, С.158-171.

16. Air pollution and lichens. L.: Athlone Press,1973. 526 p.

17. Lichens as bioindicators of air quality /ed. Hukaby L.S..-U.S. Department of Agriculture.-Fort Collins.1993. 234 p.