V Международная студенческая электронная научная

V Международная студенческая электронная научная конференция
«Студенческий научный форум»
15 февраля – 31 марта 2013 года
ВИДЫ МХОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ МОНИТОРИНГЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
Юшин Н.С.
При мониторинге загрязнения атмосферы следует использовать один вид мха, так как
выявлены существенные отличия в аккумуляционных способностях мхов не только из
разных систематических групп, но и между представителями, принадлежащими к одной
систематической группе.
Рассмотрим аккумуляционные способности мхов, используемые для контроля состояния
атмосферы с целью определения видов мхов, оптимальных для регионального и
локального мониторинга состояния атмосферы.
Проведем сравнение аккумуляционных способностей четырех лесных видов
(Pleuroziumshreberi(Brid.) Mitt., DicranumpolysestumSw., Ptiliumcrista-castrensis(Hedw.)
DeNot., Hylocomiumsplendens(Hedw.) B.S.G.), собранных на одном участке зеленомошнокустарничкового соснового леса площадью 1 м2, четырех болотных видов
(Aulacomniumpalustre(Brid.) Mitt., Sphagnumangustifolium(Russ. exRuss.) C. Jens,
Sphagnumsquarrosum, SphagnumcentraleC. Jens, exH. ArnelletC. Jens.), собранных на
кустарничково-осоково-сфагновом болоте в небольшой мочажине площадью около 5 м2, и
двух эпифитных видов (Pylaisiapolyantha(Hedw.) B.S.G., OrthotrichumobtusifoliumВrid.),
отобранных с коры старых тополей на участке площадью около 8—10 м2. Все отобранные
мхи произрастали на одинаковом удалении от дороги и располагались в одном районе, т.е.
подвергались одинаковой антропогенной нагрузке. [4]
Для определения степени аккумуляционных способностей мхов произведено
ранжирование средних значений концентраций всех химических элементов по мере их
возрастания для исследованных мхов (таблица 1.).
Таблица 1. Средние значения концентраций Мо, Сг, Zn в различных видах мха и
соответствующие им ранги. [4]
Вид мха
Химический элемент
Mo
Cr
Zn
Среднее
значение
Ранг
Среднее
значение
Ранг
Среднее
значение
Ранг
Dicranium polysetum
1,66
6
16,11
8
55,53
4
Aulacomnium palustre
1,923
8
9,844
4
66,939
7
Ptilium crista-castrensis
1,019
3
11,603
7
55,738
5
Sphagnum central
0,455
2
11,020
5
45,967
2
Hylocomium splendeus
1,034
4
8,432
3
38,170
1
Sphagnum angustifalium
1,729
7
8,103
1
56,141
6
Sphagnum squarrosum
1,042
5
11,228
6
126,161
8
Pleurozium Schreberi
0,499
1
8,261
2
50,766
3
Pylaisia polyantha
72,30
10
92,26
10
307,51
9
Orthotrichum obtusifolium
4,09
9
50,03
9
542,10
10
Каждому среднему значению концентрации того или иного химического элемента
присвоен порядковый номер-ранг; количество рангов равно количеству исследованных
видов мхов. Подсчитаны суммы рангов всех элементов для каждого вида мха (таблица 2.).
Таблица 2. Сумма рангов для различных наземных мхов. [4]
Вид
мха
Сумма
рангов
Вид
мха
Сумма
рангов
Aulacomniumpalustre
Sphagnumcentrale
Sphagnumangustifolium
Sphagnum
squarrosum
108
57
59
95
Ptiliumcristacastrensis
Hylocomiumsplendens
Pleurozium schreberi
Pylaisia
polyantha
104
62
75
173
Полученные данные хорошо объясняются анатомо-морфологическим строением мхов.
Так, на пример, самая высокая сумма рангов среди лесных мхов получена
дляDicranumpolysetum, который имеет обильный ризоидный войлок и плотный характер
дерновинок, что, очевидно, способствует удержанию загрязняющих компонентов. Мох
вида Hylocomiumsplendens имеет наименьшую сумму рангов, т.е. данный вид мха
обладает наименьшими аккумуляционными способностями, что объясняется рыхлым
строением его дерновинок и характером расположения веточек на побеге. Среди
болотных мхов наибольшими аккумуляционными способно стями
обладаетAиlaсomniumpalustre с обильным ризоидным войлоком по всему
побегу.Sphagnumcentrale иSphagnumangustifolium имеют пример но одинаковую суммe
рангов, так как относятся к одному биологическому роду и обладают сходными анатомоморфологическими и физиологическими характеристиками. [4]
Используемые для мониторинга в Европе мхи видаHylocomiumsplendens
иPleuroziumschreberiимеют примерно одинаковую сумму рангов. Следует отметить, что
данные мхи обладают разными аккумуляционными способностями по отношению к тем
или иным химическим элементам. При сравнении абсолютных значений концентраций
химических элементов в этих мхах видно, чтоPleuroziumschreberi накапливает в 1.5–2
раза больше As, Ba, Ni, Hf, Zn, Na, а Hylocomiumspendens — Sm, Mo, Th, Hg (таблица 3.).
В таблице 4 приведены средние значения концентраций химических элементов,
полученные для двух эпифитных мхов (Pylaisiapolyantha, Orthotrichumobtusifolium) и
наземного мха (Dicranumpolyseturn), обладающих наибольшими аккумуляционными
способностями. Из сравнения данных табл. 3 и 4 видно, что эпифитные мхи накапливают
и удерживают химические элементы в большей степени по сравнению с наземными
мхами. [4]
O
o
Таблица 3. Средние значения концентраций для мхов вида Hylocomiumspendens и
Pleuroziumschreberi, мкг/г. [4]
Вид
Элемент
Sm
Mo
Ca
Br
As
Na
La
Cr
Hf
Ni
Hylocomiumspendens
0.6
1.0
7397
2.7
0.05
229
2.6
8.4
1.1
4.8
Pleuroziumschreberi
0.4
0.4
8068
2.9
0.1
785
2.3
8.2
0.4
10
Вид
Элемент
Rb
Fe
Zn
Sc
Co
Eu
Al
Cd
Th
Hylocomiumspendens
13
1730
36
0.56
0.80
0.06
0.25
1340
0.26
0.7
Pleuroziumschreberi
18
2077
52
0.54
0.83
0.07
0.32
1149
0.37
0.5
Вид
Элемент
Sr
Cs
Hg
Se
Si
Te
Ti
V
Ba
Hylocomiumspendens
35
0.3
0.03
4.9
1166
9.4
100
3.1
66
Pleuroziumschreberi
46
0.4
0.02
5.2
1046
10
86
2.7
90
Таблица 4. Средние значения концентраций для двух эпифитных мхов (Pylaisiapolyantha,
Orthotrichumobtusifolium) и наземного мха (Dicranumpolysetum), мкг/г. [4]
Вид
Элемент
Sm Mo
Ca
Br
As
Na
La
Cr
Cs
Pylaisiapolyantha
2.5
7.2
12444 5.2 0.9 3075
8.1
92
0.4
Orthotrichumobtusifolium
2.1
4.1
13661
0.8 2476
7.2
50
0.6
Dicranumpolysetum
1.3
1.6
10535 3.2 0.5 1174
4.7
16
0.5
Вид
Th
Sr
Pylaisiapolyantha
0.3
Orthotrichumobtusifolium
Dicranumpolysetum
Элемент
Fe
18
Ni
Rb
Ba
Zn
Co
145 15703
60
24
291
307 1.2 2.2
0.3
167
5916
80
19
343
542 0.9 2.0
0.9
68
2800
12
18
89
55
0.7 1.3
Для регионального мониторинга атмосферы с помощью наземных мхов рекомендуется
использовать обладающий наибольшими накопительными способностями мох
видаDicranumpolyseturn. [4]
Для мониторинга атмосферы урбанизированных территорий оптимальным является
эпифитный мохPylaisiapolyantha как наиболее распространенный и характеризующийся
высокими аккумуляционными свойствами. [4]
Таким образом, преимущество использования эпифитных мхов в качестве биомониторов
заключается не только в отсутствии влияния почвы на содержание химических элементов,
что обеспечивает высокую сравнимость полученных на разных территориях результатов,
но и в их высоких аккумуляционных способностях по сравнению с наземными мхами.
Кроме того, применение эпифитных мхов дает возможность изучения загрязнения атмо-
сферы промышленных центров и населенных пунктов, что практически невозможно при
использовании лесных и болотных мхов.
Методы анализа
Определение элементного состава образцов мха осуществлялось с помощью
инструментального нейтронного активационного анализа (НАА) и метода атомной
абсорбционной спектрометрии (ААС).
НАА проводится на импульсном реакторе ИБР-2 в ЛНФ ОИЯИ в Дубне с использованием
активации эпитепловыми нейтронами наряду с полным спектром нейтронов. Измерение
наведенной гамма-активности проводится с помощью Ge(Li) детекторов с разрешением
2,5-3 кэВ для гамма-линии 1332 кэВ 60Со, а также HPGe детектора с разрешением 1,9 кэВ
для гамма-линии 1332 кэВ 60Со. Для обработки гамма-спектров и расчета концентраций
элементов используется пакет программ, разработанный в Лаборатории нейтронной
физики им. И.М. Франка. [2]
Контроль качества результатов НАА осуществлялся путем[1]:


одновременного облучения сертифицированных стандартных материалов IAEA336 (лишайник), SRM-1573 (иглы сосны), вместе с образцами мха. На каждые 10-12
образцов мха, приходилось по одному материалу сравнения каждого вида.
Результаты НАА сертифицированных стандартных материалов показывают
удовлетворительную сходимость с паспортными значениями концентраций
элементов;
ежегодного участия в межлабораторных анализах по аттестации новых материалов
сравнения.
Применение нейтронного активационного анализа (НАА) для исследования мховбиомониторов позволяет определить до 45 элементов: Ag, Al, As, Au, Ba, Br, Ca, Ce, Cl,
Co, Cr, Cs, Dy, Eu, Fe, Hf, Hg, I, In, K, La, Lu, Mg, Mn, Mo, Na, Nd, Ni, Rb, Sb, Sc, Se, Sn,
Sm, Sr, Ta, Tb, Th, Ti, V, U, W, Yb, Zn, Zr (рис 1). Не все из вышеперечисленных
элементов являются элементами- загрязнителями воздуха, они определяются
многоэлементным анализом без существенных дополнительных затрат и могут быть
использованы в качестве трейсеров трансграничного переноса воздушных масс. [2]
Рис. 1 Элементы определяемые с помощью НАА
Важные с экологической точки зрения элементы Cd, Cu, Hg, Pb определяются
дополнительно, методом атомной абсорбционной спектрометрии (ААС).
Погрешность определения концентрации для большинства элементов лежит в пределах 510%, и лишь в некоторых случаях составляет 20-25%.
Пробоотбор
Отбор проб в области должно быть сделано в соответствии со следующими принципами
[6]:
1. Каждая точка отбора проб должны быть расположена не менее 3 м от ближайшего
дерева, в первую очередь в небольших пробелах леса, без выраженного влияния деревьев,
преимущественно на земле или на уровне поверхности распадающихся пней.
2. Если это невозможно, могут быть использованы открытые участки или торфяные
болота, где мхи находятся по соседству с небольшими кустарниками. Следует избегать
выборку под пологом кустарников и большими листьями травы, а также в районах, где
течет вода со склонов.
3. Места отбора проб не должны быть расположены в городских районах. Точки
пробоотбора должны располагаться не меньше чем в 300 м от главной дороги (шоссе),
населенного пункта и промышленности, и не менее 100 м от небольших дорог и
отдельных домов.
4. В горных районах точки отбора проб должно быть не ниже леса с целью устранения
смешанным влиянием высоты на концентрации тяжелых металлов во мхах.
5. Для того, чтобы обеспечить возможность сравнения данных анализа с предыдущими,
предлагается собирать образцы из того же (или рядом, то есть не более 2 км) места, что и
используемые в предыдущих исследованиях.
6. Рекомендуется сделать один сложный образец из каждой точки отбора проб, состоящий
из 5–10 проб, если это возможно, на площади 50 х 50 метров.
В композитных образцах может быть представлен только один вид мха.
Пробы должны быть размещены в больших бумажных или пластиковых мешках,
тщательно закрыты, чтобы предотвратить загрязнения во время транспортировки.
7. Во время дальнейшей обработки недопустимо курение. Необходимо использовать
полиэтиленовые перчатки. Перчатки покрытые тальком не подходят, так как из
использование может привести к загрязнению образцов.
8. Желательно собирать образцы в период с апрель по октябрь. В засушливых
регионах Европы рекомендуется собирать образцы во время сезона дождей.
9. В каждой местности должны быть предоставлены координаты точки пробоотбора.
Пробоподготовка
При пробоподготовке мох очищают от опавшей листвы, хвои и древесного мусора и
почвы.
Для анализа оставляют только зеленую часть мха. Далее образцы высушиваются при
комнатной температуре, а затем доводятся до постоянного веса при 40° в течение 48
часов. Собранный материал хранится в бумажных пакетах.
Перед проведением анализа мох спрессовывается в таблетки и упаковывается в
алюминиевую фольгу. Далее образцы взвешиваются. Масса составляет около 0,3 г. Затем
образцам присваивается номер и они отправляются на анализ.
Заключение
При мониторинге загрязнения атмосферы следует использовать один вид мха, так как
выявлены существенные отличия в аккумуляционных способностях мхов не только из
разных систематических групп, но и между представителями, принадлежащими к одной
систематической группе.
Преимущество использования эпифитных мхов в качестве биомониторов заключается не
только в отсутствии влияния почвы на содержание химических элементов, что
обеспечивает высокую сравнимость полученных на разных территориях результатов, но и
в их высоких аккумуляционных способностях по сравнению с наземными мхами. Кроме
того, применение эпифитных мхов дает возможность изучения загрязнения атмосферы
промышленных центров и населенных пунктов, что практически невозможно при
использовании лесных и болотных мхов.
Литература
1. Ермакова Е. В. Совершенствование системы мониторинга атмосферных выпадений
тяжелых металлов в промышленных районах центральной России на основе
элементарного анализа мхов. / Автореферат диссертации на соискание ученой
степени кандидата технических наук: Тула, 2006 — 26 с.
2. Ермакова Е. В., Фронтасьева М. В., Стейннес Э. Изучение атмосферных выпадений
тяжелых металлов и других элементов на территории тульской области с помощью
метода мхов-биомониторов: Дубна, 2002 — 19 с.
3. Рогова Н. С., Рыжакова Н. К., Борисенко А. Л., Меркулов В. Г. Изучение
аккумуляционных свойств мхов, используемых при мониторинге загрязнения
атмосферы: Томск, Оптика атмосферы и океана, 24, №1, 2011 — 79–83 с.
4. Фронтасьева М. В. Об участии ОИЯИ в европейской программе Организации
объединенных наций «Атмосферные выпадения тяжелых металлов в Европе –
оценки на основе анализа мхов-биомониторов» / V Общенациональный
экологический форум России: Устойчивое развитие. Наука и практика. № 3, 2003
— 109–114с.
5. International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation
and Crops: Heavy Metals in European Mosses: 2005/2006 Survey. Monitoring Manual.
2005.
6. MONITORING MANUAL. International Cooperative Programme on Effects of Air
Pollution on Natural Vegetation and Crops — URL: http://icpvegetation.ceh.ac.uk