«ЛІХЕНОІНДИКАЦІЯ ЯК МЕТОД АНАЛІЗУ ЧИСТОТИ ПОВІТРЯ ДЛЯ ВИЯВЛЕННЯ ЙОГО ЗАБРУДНЕНОСТІ В м. ЕНЕРГОДАР» Автор - Кулинич Тимофій, учень 10-го класу Енергодарського багатопрофільного ліцею. Науковий керівник - Іголкіна Яна Вячеславівна (вчитель вищої категорії, «старший вчитель», вчитель біології Енергодарського багатопрофільного ліцею) Проблема забрудненості навколишнього середовища є глобальною проблемою сучасного екологічного стану. Одним з найважливіших критеріїв сприятливості екологічної ситуації є чистота повітря. Ступінь чистоти повітря можна визначити багатьма методами, але більшість з них дуже складні або дорогі. Є інший метод – ліхеноіндикація. Цей метод значно простіший і не потребує значних матеріальних витрат у порівнянні з іншими: використовучи його, можна встановити рівень забрудненості ділянок різними полютантами достатньо чітко, не витрачаючи часу та грошей на складні лабораторні дослідження.^ Мета дослідження - показати ефективність методу ліхеноіндикації, визначивши рівень забруднення повітря на окремих ділянках кислотними оксидами (сполуками нітрогену та сірки); спостерігати за змінами, що будуть відбуватися на протязі багатьох років. Для досягнення цієї мети поставлені такі дослідницькі завдання: Проаналізувати наявні дослідження впливу полютантів на фізіологію, морфологію, проективне покриття лишайників. Продовжити дослідження видового складу лишайників на ділянках, зробити посильний внесок у вивчення біорізноманіття нашого регіону. Продовжити дослідження проективного покриття лишайників. Порівняти кількість видів на досліджених ділянках. Узагальнити наявні дані про чутливість видів лишайників помірного клімату до дії полютантів. Створити відповідні бази даних. Дослідити вплив оксидів сірки та азоту на проективне покриття та морфологію лишайників. Користуючись методом ліхеноіндикаційних індексів, визначити рівень забруднення повітря досліджених ділянок оксидами сірки та азоту. Довести ефективність ліхеноіндикації як простого та економічного методу для визначення полютантів та їх концентрацій на окремих ділянках. Продовжити складання мапи проективного покриття лишайників м. Енергодара. Популяризувати результати роботи.Об’єкт дослідження – використання методів ліхеноіндикації для визначення характеру та ступеня забрудненості повітря ^ Методи дослідження: метод диференційного визначення видів лишайників за допомогою електронних та інших визначників; метод визначення проективного покриття за шкалою Браун-Бланке; метод ліхеноіндикаційних індексів (індекс поліотерантності та індекс атмосферної чистоти); метод градієнтного аналізу та аналізу морфологічних змін; створення баз даних, статистична обробка результатів. Робота має моніторинговий характер, розрахована на декілька років. У дослідженні ми користувалися такими визначниками видів лишайників. Гарибова Л.В., Дундін Ю.К., Коптяєва Т.Ф., Філін В.Р. Водорості, лишайники й мохоподібні СРСР. М.: Изд-В "Мисль“ http://www.ecosystema.ru/08nature/lich/098p.htm http://fotoflora.narod.ru/index15.html http://www.ac.wwu.edu/~fredr/Lichen_table.htm http://www.britishlichens.co.uk/OPAL.html http://www.sharnoffphotos.com/lichens/lichens_home_index.html Найчастіше використовувалися електронні визначники, бо вони значно зручніші та простіші у використанні, ніж класичні друковані. За 2 роки дослідження нами було визначено 18 видів, з яких 12 – в цьому році. Caloplaca discolor Caloplaca marina Evernia prunastri Hypotrachyna revolutа Melanelixia glabra Neofuscelia verruculifera Parmelia acetabulum Parmelia caperata Parmelia hygrophila Parmelia olivacea Parmelia vagans Physcia adscendens Physcia biziana Physcia phaea Punctelia rudecta Ramalina subleptocarpha Xanthoria parietina Xanthoria polycarpa Інформація про середнє проективне покриття кожного виду, розраховане для всіє дослідженої території, подана нижче.Числові значення ми отримували за формулою:, деR – числове значення середнього покриття визначеного виду, відображене у діаграмі,nx – результат вимірювання проективного покриття виду лишайника на дереві х,x – кількість одинарних вимірювань (тобто вимірювань з одного боку дерева), де виявлено покриття визначеного виду лишайника. З отриманих результатів можна зробити висновок, що найбільш поширеними в м. Енергодар є види лишайників Physcia adscendens, Parmelia caperata, Parmelia acetabulum, Xanthoria parietina. Збір даних для проведення ліхеноідикаційних досліджень проводився вимірюванням та аналізом параметрів лишайників, що були виявлені на деревах досліджуваної території. З обох боків стовбура дерева на висоті 1,2-1,5 м. за допомогою вимірювальної сітки 10х10 см. визначали площу покриття лишайників. Обчислювали процентне співвідношення її з еталоном – зайняті всі 100 см2. Для визначення проективного покриття використовували бальну шкалу Браун-Бланке.Бальна шкала Браун-Бланке:0 – лишайники зустрічаються рідко, ступінь покриття незначний.1 - лишайників багато, ступінь покриття малий, або особини розріджені, площа покриття більша.2 - лишайників багато, ступінь проективного покриття не менший за 10%, але не більше 25%.3 - будь-яка кількість лишайників, ступінь покриття - 25 - 50%.4 - будь-яка кількість лишайників, ступінь покриття - 50 - 75%5 - ступінь покриття більше - 75%. Протягом цьогорічного дослідження зроблено 694 вимірювання на 11 ділянках. Результати цих вимірювань занесено в базу даних Excel «База даних проективного покриття лишайників досліджених ділянок м. Енергодара». Користуючись нею, ми унаочнили оброблену статистично інформацію у вигляді графіків та діаграм. Діаграма відображає рівень проективного покриття досліджених ділянок м. Енергодара, де числове значення характеризує рівень забрудненості ділянок: чим більше значення, тим нижчий рівень забруднення. Результат виводився за допомогою такої формули:, деRділ - результат загального покриття для дослідженої ділянки,sn – сумарна площа покриття вимірювання ділянки,n – кількість вимірювань проективного покриття лишайників на деревах, збільшена вдвоє (бо вимірювання проводилися з обох боків дерева). Ділянки «Вул. Комсомольська», «Вул. Курчатова І», «Вул. Курчатова ІІ», «Проспект Будівельників» розташовані вздовж автомобільних шляхів з найбільш інтенсивним рухом. Ділянки «Дорога на ГРЕС», «Проспект Енергетиків» (вимірювання проводилися на парному боці вулиці) знаходяться біля доріг з менш інтенсивним рухом автотранспорту. На ділянках «Дитячий садок №7», «Алея біля 2-ї школи» рух автомобілів відсутній, вони розташовані в центрі житлових масивів. Ділянки паркової зони майже не зазнають впливу забруднення від автомобільного руху. Наші дослідження також підтверджують наступну закономірність: чим ближче розташоване джерело забруднення, тим більш явний вплив на проективне покриття лишайників ділянки воно має. На ділянці «Дорога на ГРЕС» бачимо такі результати. На графіку відображені результати вимірювання проективного покриття 29-ти дерев ділянки «Дорога на ГРЕС» (чим більшим числом є номер дерева, тим ближче до ГРЕС воно розташоване). Результат для кожного дерева обчислювався за формулою:, деsum1 – сумарне проективне покриття лишайників з одного боку дерева,sum2 – сумарне проективне покриття з іншого боку дерева. Якщо ми виключимо мінімальні та максимальні результати, а також результат № 27 (такий високий рівень пояснюється іншим видом дерева - Тополя чорна; це не відповідає правилам вимірюванням, бо на Тополі чорній теоретично можливе більше проективне покриття лишайників, ніж на Тополі білій), то отримаємо спадаючу криву. Значення проективного покриття на найближчих до підприємства деревах значно менші результатів обстеження покриття на деревах, що розташовані дальше від нього, в середині та на початку ділянки. Досить невеликі значення вимірювань на початку пояснюються тим, що дослідження проективного покриття на цій ділянці проводилися від самого світлофора, тобто існує великий вплив автомобільного руху з перехрестя. Усі вимірювання проводилися біля автомобільного шляху. Для оцінки забрудненості повітря оксидами сірки та азоту у роботі ми використали метод градієнтного аналізу. Зіткнулися з проблемою відсутності великих баз даних токсикофобності лишайників. Для нашого дослідження ми не могли скористатися інформацію для аналізу виключно з вітчизняних джерел. Нам вдалося знайти одну роботу російських дослідників; на жаль, широкого доступу до українських досліджень не існує. В ході пошуків ми натрапили на досить велике число досліджень іноземних вчених (англомовні звіти). Працювати з ними не завжди зручно, тому що кожний автор дає власний розподіл видів лишайників на типи за чутливістю до полютантів, до того ж різняться дані про конкретні концентрації забруднювачів, що відповідали б екологічним валентностям тих чи інших видів. Крім того, різні звіти містять відомості лише про певний видовий склад лишайників на досліджуваній територіі, що не завжди відповідало нашим потребам. Для проведення результативних досліджень ми створили власну узагальнюючу базу даних, куди ввійшла невелика доля інформації з досліджень вітчизняних біологів і значно більша з закордонних досліджень. При узагальненні інформації про чутливість видів до оксидів сірки ми користувалися чотирма джерелами [24-27]. Інформацію було взято з досліджень, що були проведені у національних парках Америки, розташованих у помірному поясі. Оскільки кліматичні умови територій співпадають, можна говорити про досить великий ступінь відповідності узагальнених даних закономірностям змін екосистем нашої кліматичної зони під впливом полютантів. Іншими словами, приблизні концентрації, вказані в джерелах, не потребують коригування, тому що види лишайників, наприклад Physcia adscendens, Xanthoria parietina та ін., знаходяться в подібних кліматичних умовах і однакові концентрації полютантів чинять на них однаковий вплив. Спочатку нами в один список були об′єднанні всі види, що містились у використаних нами документах. Паралельно ми визначали класи поліотолерантності лишайників. Щоб дати кожному виду точну характеристику, ми порівнювали результати з цих джерел та обирали саме той клас, до якого цей вид відносила більшість авторів. Також потрібно було визначити межові концентрації для аналізованих видів. В залежності від наведеного більшістю авторів класу ми визначали межові концентрації полютантів. Для деяких видів було наведено конкретні значення концентрацій, отримані шляхом фумігаційних досліджень. В усіх інших випадках ми визначали межові концентрації за значенням класу чутливості [27]: клас S (англ. sensitive – чутливий) включає в себе всі види лишайників, що чутливі навіть до низьких концентрацій полютантів (межові концентрації оксидів сірки цих видів сягають 0 – 25 мкг/м3 - відповідно найнижчої та найвищої концентрацій);клас S-I (англ. sensitive-intermediate – середньочутливий) включає в себе види, що помірно чутливі до низьких концентрацій (найнижча на найвища концентрація оксидів сірки – 25 та 50 мкг/м3 відповідно);клас I (англ. intermediate – середній) представлений видами, що мають середню чутливість (50 – 75 мкг/м3);клас I-T (англ. intermediate-tolerant – середньостійкий) містить види, що мають чутливість, більшу за середню (75 – 100 мкг/м3);категорія T (англ. tolerant – стійкий) включає всі лишайники, що толерантні до високих концентрації (від 100 мкг/м3 і більше). Створена нами база даних містить відомості про 344 види лишайників: щодо їхнього класу толерантності до оксидів сірки і азоту, верхньої та нижньої меж можливих концентрацій полютантів. Користуючись обробленою інформацією бази даних, ми обчислили відсоткове співвідношення видів різних класів токсикотолерантності до SO2 та NOx. Унаочнені дані обчислень подані нижче.^ Відсоткове співвідношення класів токсикотолерантності до SO2 виявлених видів лишайників Як згадувалось вище, за два роки нами визначено 18 видів. Але, незважаючи на обширність бази даних, для видів Hypotrachyna revoluta, Neofuscelia verrucifera, Parmelia acetabulum, Parmelia vagans, Physcia phaea, Ramalina sublectocarpha відомостей про їхній індекс не знайдено. Згідно з даними укладених баз і літературних джерел, середня концентрація SO2 наділянках сягає рівня 0 – 35 мкг/м3, що є досить невеликою ступінню забрудненості повітря. Це, безумовно, свідчить про сприятливість екологічної ситуації. Максимальна концентрація SO2 знаходиться у проміжку 50– 75 мкг/м3 (на ділянках, що розташовані біля автомобільних шляхів з інтенсивним рухом, виявлено середні за чутливістю та середньотолерантні види). Мінімальна концентрація SO2 знаходиться у проміжку 0 – 25 мкг/м3 (на ділянках, розташованих поза містом, видовий склад представлений у більшості видами, чутливими до оксидів сірки). У базу даних внесено відомості також про чутливість лишайників до оксидів азоту. ^ Відсоткове співвідношення класів токсикотолерантності до NOx виявлених видів лишайників В опрацьованих нами джерелах ця інформація представлена більш скудно. Серед виявлених нами видів є представники класів T, I-T, I, S. Діаграма відображає результати відсоткового порівняння класів токсикотолерантності до оксидів азоту 8 видів на досліджених нами ділянках. Видовий склад обстежених територій представлений толерантними видами на 49 відсотків, також наявні види чутливих та середніх за чутливістю класів, що свідчить про середній рівень забрудненості ділянок оксидами азоту - 2.5 -4.5 кг NОх/га/рік. Також було використано метод аналізу морфологічних змін. Репродукція є процесом, дуже чутливим до впливу полютантів. Зміна репродуктивного потенціалу внаслідок забруднення виявляється раніше інших візуальних ушкоджень слані. У більш забруднених районах утворення сланями апотеціїв помітно знижується. Підвищена концентрація SO2 у повітрі стимулює утворення соредій та ізидій, але рівень виживаності цих вегетативних діаспор знижується. За умов хронічного впливу полютантів спостерігаються хлороз (втрата хлорофілу, пожовтіння), часткове ослизнення, тобто проходження процесів деструкції лишайникової слані. А Б Рис. 2.13. Порівняння розвитку апотеціїв лишайників Xanthoria parietina м. Енергодара (А) та еталонного зразка того ж виду з електронного визначника (Б) На рисунках представлені таломи Xanthoria parietina. Ліворуч – лишайника з м. Энергодара (зеленуватий колір обумовлений умовами фотографування), праворуч – з визначника, світлина зроблена в еталонних умовах. Апотеції однаково добре розвинені, слань лишайника з м. Энергодара має площу 7 см2 (досить значна площа). Це свідчить про відносно низький рівень забруднення SO2 у м. Энергодарі. Також цей факт підтверджується тим, що протягом всього дослідження не було знайдено значно змінених таломів: не були виявлені лишайники, талом яких був би ослизненим або значно відрізнявся б за кольором від еталонних зразків. У нашій роботі ми використовували метод ліхеноіндикаційних індексів – індексів полеотолерантності (I.P.) та атмосферної чистоти (I.A.P.) – для визначення рівня забрудненості повітря оксидами сірки. Вони дозволяють виявити ступінь забруднення, чистоти й поліофобії. Індекс являє собою число, отримане при використанні математичної формули, у якій формалізовано параметри ліхеноіндикаційних досліджень.Індекс полеотолерантності (I.P.) був запропонований Х. Х. Трасом. Середні показники індексу варто обчислювати для кожного обстеженого стовбура дерева, а потім для кожної облікової площі обстеженої території. Індекс полеотолерантності (I.P.) був обчислений за формулою: , деа – ступінь толерантності виду до міського середовища (ранг; відповідає номеру класу), с – рангова величина покриття (у балах), С - ступінь загального покриття всіх видів (у балах),n – число видів. Оцінка результату обчислення проводиться за такою логікою: чим більший результат, тим менша екологічна сприятливість території. Даний коеєфіціент обчислюється сумарно для всіх ділянок і відображає середній рівень забрудненості всієї території. Отриманий нами результат I.P. – 2,8654016. Таке невелике значення було отримано тому, що більшість видів відоситься до класів токсикофобності S, S-I, а для цих класів параметр а мав значення 1 та 2 відповідно. Отримане в результаті таких обчислень невелике значення свідчить про досить низьку забрудненість оксидами сірки повітря досліджуваних територій.Індекс атмосферної чистоти (I.A.P) вперше запропонували Д. Деслувер і Ф. Лебланк. Спочатку проводиться рекогносцирувальне дослідження, у ході якого визначають характер розташування ділянок для дослідження проективного покриття лишайників. Рекомендується обстежити в кожній точці, щонайменше, 10 однакових дерев з найбільш розвиненим покривом епіфітів. Стовбури цих дерев ретельно оглядають до висоти 2 м і фіксують всі виявлені види лишайників. При цьому представник кожного виду оцінюється в балах по шкалі, що характеризує чистоту зустрічальності - покриття: 5 - види з дуже високою частотою зустрічальності й дуже високим ступенем покриття більшості стовбурів дерев; 4 - види з високою частотою або великою площею покриття; 3 - види, що зустрічаються нечасто або мають невеликий ступінь покриття на деяких деревах; 2 - види, що зустрічаються нечасто або мають низький ступінь покриття; 1 - види дуже рідкісні та з дуже низьким ступенем покриття. Значення індексу чистоти атмосферного повітря (I.A.P.) розраховувалося за формулою: , деn – число видів на досліджуваній площі, Qi – екологічний показник виду i (середнє число видів, що ростуть разом з видом i на досліджуваній площині),Fi– оцінка зустрічальності-покриття виду i відповідно до наведеної шкали [1]. За А.В. Лиштвою добуток Qi x Fi ділиться на 10, щоб одержати більш наочне число. Щоб зробити розрахунки простішими та зрозумілішими, ми змінили систему розділення видів на класи: замість 9 класів у розрахунках використовувалося 5. Це обумовлено такими причинами: наявна таблиця, що складається з 9 класів [1], не відповідає умовам нашого регіону, бо не містить більше 70 відсотків виявлених нами видів. Щоб вирішити цю проблему, ми модифікували систему класів для обчислення цих індексів. Для обох індексів (I.P., I.A.P.) оцінка частоти-зустрічаємості аналогічна балам за шкалою Браун-Бланке. Щоб не ускладнювати зайвими діями формули Excel, використовувалися результати попередніх обчислень, а саме розрахований бал оцінки проективного покриття. Під час обчислення індексу чистоти атмосферного повітря (I.A.P) виникли такі труднощі: результатом розрахунків завжди є число; а оскільки у джерелі [1] не наведена таблиця оцінки результатів, то визначити рівень сприятливості екологічної ситуації досить важко. Щоб вирішити цю проблему, нами було введено поняття ідеального індексу. Відношення обчисленого індексу конкретної ділянки до її ідеального дає необхідну нам інформацію. Для кожної ділянки ідеальний індекс розраховувався за вищенаведеною формулою. Екологічним коефіціентом була кількість саме тих видів, що можуть бути виявлені у умовах антропогенного впливу для ділянки (наприклад, для території парку враховувалися тільки види класів S та S-I, а для міських територій – усі види, що входять до складу класів I, I-T, T). Оцінкою частоти-зустрічаємості був максимальний для будь-якої ділянки бал за шкалою Браун-Бланке – 5. Здійснивши розрахунки й отримавши числове значення індексу конкретної ділянки, ми знаходили його відповідність у відсотках до ідеального коефіціенту за формулою: , деI.A.P розрах – стандартно обчислене значення коефіціенту для ділянки;I.A.P ідеальн – розрахований ідеальний коефіціент для ділянки;Відп – міра збігаємості отриманого результату з ідеальним можливим у конкретних умовах. На діаграмі нижче подані результати розрахунків відсоткової відповідності для досліджених ділянок.^ Відповідність обчислених індексів I.A.P досліджених ділянок ідеальним За цими результатами, найнижчий вплив полютантів зазнають ділянки паркової зони (виняток складає результат ділянки «Парк Перемоги», що пояснюється досить інтенсивним рухом транспорту повз досліджену ділянку в напрямку пляжу та до міста у літній період – час, коли життєдіяльність лишайників найбільш активна). Середньої інтенсивності впливу зазнають ділянки у житлових масивах («Алея біля 2-ї школи», «Дитячий садок №7»), бо рух автомобілів там дуже обмежений або взагалі відсутній. Низькі значення результатів отримано для ділянок, що розташовані поблизу автомобільних шляхів з інтенсивним рухом та промислових підприємств. Ці результати повністю підтверджують інформацію, отриману за допомогою інших використаних нами методів і підтверджуються дослідженням щільності руху на міських автодорогах, яке свідчить про досить велику інтенсивність руху транспорту на цих ділянках і, відповідно, про відносно високе забруднення полютантами згорянння автомобільного палива. Таким чином, інформація, отримана за допомогою методу ліхеноіндикаційних індексів, не суперечить попереднім дослідженням. Щоб унаочнити результати наших досліджень проективного покриття лишайників на обстежених ділянках, ми продовжили складання «Мапи проективного покриття досліджених ділянок м. Енергодара». На мапах бали проективного покриття досліджених ділянок показані зафорбовуванням ділянок умовним кольорами. Перелік умовних кольорів, що несуть інформацію про бал за шкалою проективного покриття, подано нижче.^ Бали шкали оцінки проективного покриття Браун-Бланке: Результат для кожної ділянки виводився як середнє арифметичне всіх оцінок вимірювань на ній.^ Мапа проективного покриття лишайників ділянок у центрі м. Енергодара Мапа проективного покриття лишайників ділянки «Дорога на ГРЕС» Мапа проективного покриття лишайників паркової зони та Іванівського лісництва В парковій зоні бали на рівні 3-4, що відповідає ступеню проективного покриття від 25% до 75%. В житлових мікрорайонах бали 1-2 (покриття від 10% до 25%). А вдовж автомобільних шляхів бали сягають рівня від 0 до 1 (покриття відсутнє, або 10%). Такі результати вимірювань свідчать, насамперед, про досить невелику загальну забрудненість атмосфери полютантами і, по-друге, підтверджують згубний вплив на життєдіяльність лишайників автомобільних викидів (частка промислових викидів у забрудненні повітря незначна).Висновки Проаналізовано наявні дослідження впливу полютантів на фізіологію, морфологію, проективне покриття лишайників. Продовжено дослідження видового складу лишайників. Визначено 12 нових видів, загалом за 2 роки досліджень – 18, чим зроблено внесок у вивчення біорізноманіття нашого регіону. Досліджено проективне покриття лишайників на 11 ділянках, проведено 694 вимірювання. Створено відповідну базу даних. Порівняно кількість видів на досліджених територіях. Виявлено, що на ділянках, розташованих біля головних автомобільних шляхів та промислових підприємств, є представники тільки 5-6 видів родів Parmelia, Xanthoria, що дуже стійкі до дії забрудників. На ділянках, що не піддані такому значному забрудненню, описано 18 видів. Узагальнено наявні дані про чутливість видів лишайників помірного клімату до дії полютантів, створено бази даних. Вивчено вплив оксидів сірки на проективне покриття та морфологію лишайників; зроблено висновок про незначну забрудненість території оксидами сірки та азоту. Загальний рівень забруднення оксидами сірки сягає 0-35 мкг/м3. Мінімальна концентрація SO2 знаходиться на рівні 0-25 мкг/м3. Максимальна концентрація SO2 у проміжку 50– 75 мкг/м3. Рівень забрудненості ділянок оксидами азоту середній:2.5 - 4.5 кг NОх/га/рік. З проведених досліджень можна зробити висновок, що кількість промислових викидів, які містять оксиди сірки і азоту, є дуже незначною і мало впливає на забрудненість атмосфери. Натомість автомобільні викиди (основне джерело забруднення оксидами азоту) значною мірою впливають на розповсюдженість і видовий склад лишайників. Розраховане значення I.P.= 2,8654016 свідчить про досить низьку забрудненість оксидами сірки повітря досліджуваних територій. Результат обчислення I.A.P. ділянок та їхнього співставлення з ідеальними: ділянки паркової зони зазнають найменш інтенсивного впливу полютантів. Середньої інтенсивності впливу зазнають ділянки у житлових масивах. Низькі значення отримано для ділянок, що розташовані поблизу промислових підприємств та автомобільних шляхів з інтенсивним рухом. Доведено ефективність ліхеноіндикації як простого та економічного методу. Цей метод дозволяє на основі даних про токсикофобність конкретних видів визначити концентрації полютантів в атмосфері без використання дорогого й складного обладнання. Продовжено складання мапи проективного покриття лишайників міста Енергодара. Популяризовано результати роботи: результат досліджень розміщено на веб-сайті ліцею.