Использование трансплантации лишайников в

Использование трансплантации лишайников в школьных
исследовательских работах
В последнее время значительное внимание уделяется экологическому мониторингу.
Одним из его направлений является определение чистоты атмосферы. Ежегодно в
атмосферу выбрасывается более 20 миллиардов тонн отходов, из них 75% приходится на
углекислый газ. Остальные 25% загрязнителей – это озон, хлор, аммиак, диоксид азота,
хлороводород, этилен и другие углеводороды, бензол, формальдегид. Однако одним из
наиболее серьезных загрязнителей является именно сернистый газ и пары серной кислоты,
которые являются причиной кислотных дождей. Сложно даже представить все
многообразие загрязнителей! Как же оценить чистоту территории, опасность загрязнения
для человека? Конечно, для каждого из этих веществ известна предельно допустимая
концентрация для человека, но часто просто невозможно померить концентрацию
каждого из веществ. Для этого необходимо специальное дорогостоящее оборудование. Но
самое главное, даже измерив концентрацию всех веществ, мы не узнаем об их совместном
влиянии на живые организмы. Загрязнители, взаимодействуя друг с другом, могут стать
оказывать более сильное или наоборот слабое воздействие на живые организмы. Выходом
из этой ситуации является биоиндикация, т. е. оценка загрязнения по биологическим
объектам.
Классическим объектом, используемым для чистоты атмосферы, являются
лишайники. На самом деле биоиндикатором может выступать любой организм, у которого
в должной мере изучена биология и экология. Что же делает лишайники столь
популярными биоиндикаторами?
Вспомним основные особенности лишайников. Лишайники – это не единый
организм, а совокупность нескольких. Они состоят как минимум из двух компонентов –
гриба (микобионта) и водоросли (фотобионта). В некоторых случаях лишайники могут
быть трехкомпонентными: тогда в его состав кроме гриба и зеленой водоросли входит
еще цианобактерии (сине-зеленые водоросли). В результате симбиоза нескольких
организмов лишайник обладает рядом свойств, не характерных для составляющих его
компонентов. И эти свойства во многом определяют использование лишайников в
качестве индикаторов. Какие же это свойства?
Во-первых, это медленный рост и большая продолжительность жизни (скорость
роста некоторых наскальных арктических лишайников может составлять десятые доли мм
в год, а продолжительность жизни некоторых лишайников достигает более 1000 лет). Вовторых, лишайники пойкилогидридные организмы. То есть они не имеют специальных
органов для удержания воды: лишайники очень быстро впитывают воду, с растворенными
в ней веществами, и также быстро ее испаряют. В результате они накапливают все
химические соединения, которые содержались в дождевой воде. Концентрация многих
элементов (прежде всего металлов – меди, свинца, никеля и др.) может быть больше чем в
почве или окружающей растительности в сотни раз (в этом показателе конкуренцию
лишайникам могут составить только мхи – тоже пойкилогидридные организмы).
Длительное существование и способность к накоплению ядовитых соединений,
находящихся в атмосфере, и обеспечивает выдающиеся биоиндикационные свойства
лишайников.
Лишайники обладают и рядом других свойств, способствующих проведению
мониторинговых исследований. Благодаря симбиозу лишайники могут выдерживать
экстремальное воздействие самых различных экологических факторов, а потому
распространены очень широко. Их можно встретить как в Антарктиде — там встречается
около 400 видов, и некоторые растут у самого Южного полюса, так и в пустынях. Это
важно для лихеноиндикации, так как позволяет сравнивать исследования, проведенные в
разных уголках земного шара — ведь некоторые лишайники, например Гипогимния
вздутая распространены по всему миру.
Четвертой особенностью лишайников является формирование морфологических
структур нехарактерных для симбионтов в отдельности. Это позволяет учитывать влияние
загрязнения на лишайники и облегчает их определение.
Длительное время существования лишайников позволяет проводить многолетние
наблюдения. Не удивительно, поэтому, что первые лихеноиндикационные работы были
проведены уже более 100 лет назад. Но использование лихеноиндикационных подходов в
школьных исследованиях имеет и некоторые недостатки. Прежде всего, это
необходимость точной видовой идентификации лишайников. Лишайники сложный для
определения объект: разнообразная и непривычная для школьников морфология,
проведение химических реакций с редкими реактивами, значительная изменчивость
лишайников – все это делает качественное полевое лихеноиндикационное исследование
уделом профессионалов.
Классификация лихеноиндикационных подходов
Обычно лихеноиндикационные методы делят на пассивные и активные. К
пассивным относят традиционные методы, связанные с закладкой площадок, трансект,
расчете лихеноиндикационных индексов и т. д. По этой группе методов существует
несколько методических пособий, адаптированных для школьников (Пчелкин, Боголюбов,
1997; Пчелкин, Слепов, 2004). Активные методы лихеноиндикации – это прежде всего
фумигация и трансплантация лишайников, то есть подходы, связанные с активным
воздействием на лишайники в процессе биоиндикационного исследования. Фумигация
(окуривание) лишайников используется для определения чувствительности лишайников к
тем или иным загрязнителям, оценки класса чувствительности лишайника и т. п. Так как
фумигация предполагает работу с зачастую ядовитыми для человека соединениями ее
сложно реализовать в школьном исследовании. Более реалистична трансплантация
лишайников. В этом случае лишайники переносятся из одного местообитания (обычно
чистого «фонового» района) в новое – обычно в город или иное место с загрязненной
атмосферой.
В школьных исследованиях трансплантация лишайников имеет ряд преимуществ
перед пассивной лихеноиндикацией. Во-первых, во многих городах есть участки с
лишайниковой пустыней, то есть такие районы, где лишайников очень мало или нет
вообще. В результате проблематично сравнение степени загрязнения различных районов
города. Кроме того, для любых лихеноиндикационных исследований важна точная
видовая идентификация лишайников, а сохраняющиеся в местах сильного загрязнения
виды трудно идентифицировать, так как выживают мелкие слоевища часто с
повреждениями. Для этого нужен профессиональный лихенолог. Часто в школьных
работах можно встретить использование определений лишайников до рода или просто
подсчет числа слоевищ (или обилия) лишайников. К сожалению, данный подход
бесполезен, так как без учета чувствительности встреченных видов к загрязнителям
сделать правильные выводы о загрязнении атмосферы невозможно. Например, леканора
пылевидная (Lecanora conizaeoides) в отличие от большинства остальных лишайников
тяготеет к загрязненным участкам. Этот вид, традиционно встречавшийся в местах
извержений вулканов, оказался более-менее устойчив к загрязнению, а отсутствие других
видов лишайников в городах позволяет избежать конкуренции. Вряд ли обилие этого вида
можно будет считать признаком чистой атмосферы.
Проведение длительных школьных исследований для городских школьников
проблематично и возможно лишь в каникулярное время. Во время осенних, зимних и
весенних каникул в Подмосковье наблюдается снеговой покров, что ограничит предмет
исследования лишь эпифитными лишайниками. Да и за период в 1 – 2 недели выполнить
полноценное исследование проблематично. Трансплантация лишайников позволяет
избежать большинства описанных проблем.
В качестве объектов трансплантации возможно использование фоновых легко
идентифицируемых видов. Нет необходимости постоянных загородных выездов. Быстрая
реакция трансплантированных лишайников в некоторых случаях позволяет зафиксировать
изменения уже через 1 неделю после начала эксперимента. Конечно, как и любого другого
метода у трансплантации лишайников есть свои недостатки. Основной из них следующий:
наблюдаемые изменения может вызывать стресс испытываемый лишайниками при
пересадке, а не загрязнение. Данная проблема может быть решена грамотно поставленным
контролем и акклиматизацией лишайников при пересадке. Кроме того, в целом ряде
исследований показана корреляция между данными по трансплантации лишайников и
другими лихеноиндикационными подходами и данными по загрязнению атмосферы. Все
это делает использование практически идеальным методом школьных исследований.
Основные этапами такого исследования будут отбор слоевищ лишайников, их
экспонирование и анализ изменений происходящих со слоевищами.
Отбор слоевищ лишайниками
Для трансплантации лишайников подходят любые лишайники. Обычно
используются эпифитные (растущие на коре деревьев) или эпигейные (наземные) формы.
Так как в некоторых случаях требуется большое количество здоровых слоевищ одного
вида лишайника, следует использовать только фоновые виды. В Подмосковье из эпифитов
подойдут гипогимния вздутая (Hypogymnia physodes), пармелия бороздчатая (Parmelia
sulcata), ксантория настенная (Xanthoria parietina), а из эпигейных лишайников – кладония
оленья (Cladonia rangiferina) и цетрария исландская (Cetraria islandica). Эпифитные
лишайники необходимо собирать вместе с корой, поэтому сбор следует производить
только с мертвых поваленных деревьев. В профессиональных исследованиях используется
специальные буры. В результате их применения отбираются одинаковые диски коры с
лишайником диаметром 3 – 5 см. Так как для школьных исследований такие буры
недоступны, можно воспользоваться обычной пилой (ножовкой). Необходимо выпилить
прямоугольные кусочки коры размером 5 на 5 см. Важно чтобы на коре был лишайник
одного вида, и его слоевище занимало не менее 60 – 70% коры. Нельзя допускать
повреждения слоевища при отборе проб. Отбор проб должен осуществляться в сходных
условиях. Место сбора должно быть более-менее экологически чистым (вдали от крупных
городов, автомагистралей, промышленных объектов) и в той же климатической зоне, что
и предполагаемое место экспозиции. Для Москвы это может быть Подмосковье (только не
ближнее (расстояние более 30 – 50 км от Москвы) и желательно западная часть
Московской обл.). Условия сбора всех образцов должны быть сходны (одинаковая порода
дерева, освещенность, биотоп). Все слоевища должны быть здоровы, в водонасыщенном
состоянии – зеленые без белых или бурых пятен, темных точек и т. п. Для проверки
состояния лишайников необходимо опрыскать лишайники водой (можно из
пульвелизатора). Нельзя использовать водопроводную воду, можно предварительно
профильтровать через стандартный питьевой фильтр. Необходимо обрызгать лишайник
избыточным количеством воды и дать впитаться каплям в таллом и только после этого
проводить выбор слоевищ для эксперимента.
В случае если планируется экспозиция в иной климатической зоне, чем та, где
проходил отбор, необходимо провести акклиматизацию слоевищ. Для этого необходимо
переместить отобранные образцы в новую климатическую зону (ту, где будет проходить
эксперимент) в место без загрязнения атмосферы. То есть если ваши лишайники росли в
северной Карелии прежде их трансплантации в Москве нужно провести акклиматизацию в
Московской области.
В некоторых случаях возможно использование целых ветвей деревьев с растущими
на них лишайниками. Для ряда методов экспозиции трансплантированных лишайников
важен отбор слоевищ без субстрата. Это возможно только для листоватых и кустистых
лишайников. Критерии выбора слоевищ в данном случае те же, что и при работе с
кусочками коры. Важно при отделении от субстрата не повредить лишайник.
Экспонирование образцов
Типы экспозиции
Существует несколько типов экспонирования лишайников: на кусочках коры (это
основной способ: именно для него выше описана методика сбора, ниже приведены
способы экспозиции), на нитях, исходных ветках, в банках.
Для кусочков коры разработаны специальные устройства для экспонирования. Это
могут быть пробковые щиты (их можно заменить на обычную деревянную доску или
фанерный лист, прикрепить образцы можно мелкими гвоздями или клеем главное при
прикреплении не повредить лишайник) или специальные лишайниковые карусели.
Карусели вращаются под действием ветра, благодаря чему все слоевища находятся в
полностью идентичных условиях.
На нити (толстые синтетические можно использовать нейлоновую веревку)
наклеиваются слоевища эпифитных лишайников отделенные от субстрата. Данный метод
позволяет измерять прирост или убыль биомассы лишайников после трансплантации. Для
эпигейных лишайников разработан метод экспозиции в 3-литровых банках. На дно банки
насыпают почву, обычно смешанную с песком или гравийной крошкой, поверх ровным
слоем размещают отделенные от субстрата слоевища, банку закрывают пластмассовой
крышкой с дырками. Еще один способ, трансплантация целых ветвей с лишайниками.
Данный метод самый простой, однако могут возникнуть сложности с анализом изменений
происшедших с лишайниками. Важно сравнивать ветви одной породы дерева с
одинаковым видом лишайника диаметр ветвей и слоевищ лишайников должны совпадать
в контроле и различных местах экспозиции.
При любом из перечисленных вариантов экспозиции необходим грамотный
контроль. В «чистом районе» (контрольном участке, где нет загрязнения атмосферы)
такой же необходимо использовать такой же метод экспонирования и сроки наблюдений,
что и в эксперименте.
Размещение образцов
Экспонирование должно проводится в условиях по влажности и освещенности
близким к тем, в которых лишайники росли в природе. Лишайники не должны быть
затенены или заслонены препятствиями. Рекомендуется располагать щиты или карусели с
лишайниками в открытых местах (например, на школьном дворе), вдали от зданий и
деревьев. Щиты обычно ориентируют на север той стороной на которой размещают
лишайники.
Высота размещения
Высота размещения обычно должна быть сопоставима с той, на которой были
собраны лишайники. Так как сбор проводился с поваленных деревьев, то высота
экспозиции обычно варьирует от 1 до 2 м. для исследования высотного распределения
загрязнения (например для сравнения чистоты воздуха на уровне различных этажей
одного дома), возможно размещение на высотах, отличающихся от приведенных
рекомендаций. При размещении стоит учитывать еще один фактор. Экспонирование
слоевищ проводится в течение довольно длительного времени, поэтому при выборе места
и высоты размещения надо стараться так расположить щиты с лишайниками, чтобы они
были недоступны для вандалов.
Время наблюдения
Периодичность наблюдений зависит от степени загрязнения исследуемой местности
и чувствительности к загрязнению выбранного вида лишайника. В научной литературе
отмечены случаи, когда цитологические изменения происходили уже через неделю после
трансплантации. Внешние изменения требует большего периода времени. Лучше
проводить регулярные наблюдения, можно предложить следующий график: через 1
неделю, через 2 недели, через 1 месяц, далее ежемесячно в течение 4 – 6 месяцев.
Анализ изменений происходящих со слоевищами
В
профессиональных
лихеноиндикационных
исследованиях
приводится
значительный список параметров, которые можно фиксировать у трансплантированных
лишайников (Бязров, 2002): это и пигментный состав, и концентрация ионов тяжелых
металлов, и особенности взаимодействия симбионтов лишайников и мн. др. для школьных
исследований лучше всего подойдут изменения, которые можно наблюдать без
использования специального оборудования, то есть, прежде всего, внешние признаки. В
условиях загрязнения лишайник теряет свою окраску, появляются бурые или светлые
пятна (анализ цвета слоевища проводится в воднонасыщенном состоянии). Для
количественного метода учета таких пятен можно использовать методики, предложенные
для оценки обилия лишайника (Пчелкин, Слепов, 2004). Таким образом, можно оценить
процентное соотношение неповрежденных и поврежденных частей лишайника.
Трансплантация лишайников является неплохим адаптируемым для школьного
возраста биоиндикационным методом, позволяющем исследовать характер загрязнения
как от одиночного источника (фабрика или предприятие в условно чистом регионе), так и
от нескольких источников (в крупных городах – транспорт, промышленные объекты).
Трансплантация может быть использована для градиентного анализа загрязнения, так и
для составления карт загрязнения.
Список рекомендуемой литературы
1. Бязров Л. Г. Лишайники в экологическом мониторинге. М.: Научный мир, 2002. С
4 – 136.
2. Пчелкин А. В., Боголюбов А. С., 1997. Методы лихеноиндикации загрязнений
окружающей среды: Методическое пособие для педагогов дополнительного
образования и учителей. М.: Экосистема. 25 с.
3. Пчелкин А. В., Слепов В. Б. 2004. Использование водорослей и лишайников в
экологическом мониторинге и биоиндикационных исследованиях. М.:
МосгорСЮН, 20 с.
Источник: http://ecoconf.dnttm.ru