Organizmy monitorowe w kontroli zanieczyszczeń powietrza

w kontroli zanieczyszczeń powietrza

Grzyby jako bioakumulatory

Burton (1986) stwierdził, że rzadko wykorzystuje się grzyby makroskopowe w monitoringu depozycji atmosferycznej, jednak realizowano kilka programów bada-nia akumulacji metali przez te organizmy. Według Burtona użycie mikroskopijnych grzybów do monitoringu zanieczyszczenia powietrza jest ograniczone z powodu cza-sochłonności i trudności metodycznych. W badaniach akumulacji metali ciężkich przez grzyby najbardziej użyteczne są:

z organizmy degradujące materię organiczną (np. Agaricus arvenis, Lycoperdon gigantem),

z żyjące w mikoryzie (np. Amanita rubescens, Boletus edulis) oraz degradujące drewno (np. Pleurotus ostreatus, Polyporus betulinus) (Kovács, 1992a).

9. Biomonitoring elementów środowiska naturalnego 137

Wiele grzybów kumuluje w owocnikach metale ciężkie, takie jak kadm, ołów i rtęć, wykazując specyficzność w stosunku do różnych pierwiastków. Należy do nich np. kurzawka ołowiana (Bovista plumbea) – Pb, Cd (Hg), pieczarka polna (Agricus bisporus) – Cd (Pb, Hg), czernidlak pospolity (Coprinus atramentarius) i borowik szla-chetny (Boletus edulis) – Hg (Cd, Pb). W owocnikach grzybów dochodzi również do kumulacji radionuklidów pochodzących z depozycji z atmosfery.

Porosty w badaniach akumulacji zanieczyszczeń

Porosty (Lichenes) są efektywnymi wskaźnikami depozycji, zwłaszcza metali, wie-lopierścieniowych węglowodorów aromatycznych i zanieczyszczeń chloroorganicz-nych (Calamari i in., 1991). Porosty wolno rosną i szybko asymilują zanieczyszczenia trwałe, ale uwalniają je powoli (Kłos, 2009). Stężenia metali w plesze porostu korelo-wały z ich stężeniami w atmosferze (Pignata i in., 2007).

Metale są akumulowane w porostach w dużych stężeniach wskutek zatrzymywa-nia nierozpuszczalnych cząstek (Tyler, 1989), procesów wymiany jonowej (Richard-son, 1988), adsorpcji i poboru aktywnego (Král i in., 1989). Kompleksowe badania dotyczące tych zagadnień przedstawił w swojej monografii Kłos (2009).

Tabela 21. Gatunki porostów użyteczne do indykacji skażenia powietrza metalami ciężkimi (Mulgrew i Williams, 2000)

Acarospora strigata C. gonecha L. conizaeoides Pseudoevernia furfuracea Alectoria capillaris C. impexa L. frustulosa Ramalina duriaei A. nigricans C. mitis L. novomexicana R. farinacea A. ochroleuca C. rangiferina Letharia vulpina R. stenospera

A. sarmentosa C. stellaris Micarea trissepta Rhiyoplaca melanopthalma A. tremonti C. sylvatica Parmelia borrei Sphaerophorus fragilis Caloplaca aurantia C. squamosa P. caperata Stereocaulon evolutum C. trachyphylla C. uncialis P. chlorochroa S. nanodes

Cetraria cuoullata Cornicularia aculata P. conspersa S. pascale C. delisei C. divergens P. fuliginosa Umbilicaria grisea C. islandica C. muricata P. plittii U. hirsuta Cladonia alpestris Dermatocarpon miniatum P. polydactyla U. mammulata C. arbuscula Evernia mesomorpha P. rudecta U. polyphylla C. convoluta E. prunastri P. sulcata U. pustulata C. chlorophaea Hypogymnia enteromorpha P. saxatilis U. sporodochroa C. cristatella H. physodes P. taractica Varrucaria nigrescens C. deformis Lasallia papulosa Peltigera canina

C. furcata Lecanora alphoplaca P. rufescens

Forma występowania metali będących przedmiotem badań jest ważna w aspek-cie wyboru gatunków (Conti, 2004). Często determinuje ona czas, po jakim porost obumiera, ujawniają się skutki uszkodzenia plechy lub nie następują wyraźne

uszko-dzenia. Do monitoringu depozycji metali zaleca się porosty krzaczkowate (np. Parme-lia sp.), ponieważ są one łatwiejsze do oddzielenia od podłoża w porównaniu do po-rostów listkowatych i skorupiastych. Porosty odpowiednie do bioindykacyjnej ekspo-zycji na metale ciężkie przedstawiono w tabeli 21. Przez analizę zawartości pierwiastków w próbkach porostów zebranych w różnej odległości od źródła zanie-czyszczeń można określić typ zanieczyszczenia i wielkość strefy depozycji.

Te same właściwości, dzięki którym porosty są użytecznymi biomonitorami metali ciężkich sprawiają, że nadają się one do monitoringu zanieczyszczenia substancjami organicznymi. Usnea barbata była wykorzystywana do badania zanieczyszczenia przez chlorowane węglowodory w górach obok Monako. Muir i in. (1993) badali próbki porostu Cladina rangiferina pobierane w okresie trzech lat w Ontario w Kanadzie.

Kumulacja zanieczyszczeń przez mchy

Mchy (Bryophyta) również odgrywają ważną rolę w ocenie stopnia skażenia po-wietrza. Podobnie jak porosty są one kumulatorami metali ciężkich. Dzięki temu że nie mają kutikuli i epidermy, ich listki (odpowiednik morfologiczny liści) są dobrze przepuszczalne dla jonów, które łatwo akumulują się. Inną ważną cechą mchów jest duży zasięg występowania wielu gatunków w siedliskach naturalnych w rejonach uprzemysłowionych lub miejskich. Te cechy mchów przyczyniły się do zastosowania ich w programach monitoringu w celu poznania stopnia skażenia metalami ciężkimi. W Polsce badania prowadzono z wykorzystaniem pospolitego gatunku Pleurozium schreberi.

Mchy jako wskaźniki zanieczyszczenia metalami ciężkimi na danym obszarze od-zwierciedlają gradient stężenia metali. Wykorzystanie mchów w monitoringu tych pierwiastków jest dobrą metodą z wielu powodów, ponieważ:

z dystrybucja wielu gatunków jest powszechna i rosną one w różnych siedliskach,

z mchy są niewielkie i łatwe w użyciu,

z nie mają kutykuli i systemu korzeniowego i pobierają substancje odżywcze wprost z depozycji atmosferycznej,

z mają dużą zdolność akumulacji, zwłaszcza metali ciężkich,

z zdolność mchów do akumulacji pierwiastków w bardzo dużych stężeniach uła-twia analizy chemiczne, ale może także ułatwić wykrycie pierwiastków obecnych w środowisku w dość małych stężeniach.

Większość metod w monitoringu metali ciężkich wykorzystuje mchy jako bio-akumulatory, w których po pobraniu próbek analizuje się laboratoryjnie aktualne stężenia. Bioindykacja depozycji metali ciężkich za pomocą obserwacji rozmieszczenia mchów i efektów fizjologicznych jest raczej rzadko spotykana.

Podczas planowania programu biomonitoringu należy przede wszystkim zdecy-dować, czy będzie użyta technika wykorzystująca gatunki tubylcze czy przeniesione. Stosowane też są techniki mieszane, polegające na równoczesnej obserwacji

kumula-9. Biomonitoring elementów środowiska naturalnego 139

cji metali np. przez mech Pleurozium schreberi oraz transplantowany Sphagnum falax metodą moss-bag. Od tego będzie zależeć rodzaj użytych gatunków, a w pewnym stopniu także metoda analizy chemicznej. W tabeli 22 porównano techniki wykorzy-stujące gatunki tubylcze i przeniesione.

Tabela 22. Porównanie metod wykorzystujących gatunki mchów tubylcze i przeniesione (Gailey i Lloyd, 1993)

Gatunki tubylcze Gatunki przeniesione Wyniki można uzyskać w kilka dni ^{Wymagany jest rok, by uzyskać wyniki}

obserwacji sezonowej zmienności Wyniki demonstrują zanieczyszczenie

w poprzednich latach

Wyniki ilustrują zanieczyszczenie tylko w okresie badań

Poziomy akumulacji są zwykle wyższe niż progi wykrywalności z powodu dłuższego czasu ekspozycji

Stężenia zakumulowanych substancji mogą być niewykrywalne

po krótkim czasie ekspozycji Koszty ponoszone są w wyniku transportu próbek

do laboratorium i analiz chemicznych

Dodatkowe koszty związane z transportem roślin na miejsce badań Możliwy brak organizmów tubylczych Organizmy i ich umiejscowienie jest dowolne Trudna do oszacowania wielkość depozycji ^{Wielkość depozycji może być ustalona}

dzięki znanemu czasowi ekspozycji Organizmy mogą przejawiać zmiany morfologiczne

lub fizjologiczne spowodowane długotrwałą

ekspozycją na zanieczyszczenia mające wpływ na pobór

Rośliny pochodzą ze stosunkowo czystego środowiska

W biomonitoringu depozycji metali kryteria wyboru gatunków obejmują ich do-stępność, tolerancję, charakterystykę bioakumulacji i łatwość poboru próbek (Wol-terbeek i Bode, 1995). Mchy pozbawione systemu przewodzącego wodę, które mogą absorbować zanieczyszczenia bezpośrednio przez całą powierzchnię rośliny, są bar-dziej odpowiednie od mchów mających taki system i powierzchnię kutykulopodobną. Najczęściej stosowaną grupą mchów jest rodzina Pleurocarpous tworząca kobierce.

Gęstość i rozmieszczenie miejsc poboru próbek zależą przede wszystkim od ro-dzaju badań. Projekty zaplanowane na wielką skalę będą oczywiście wymagać więcej miejsc niż badania punktowych źródeł emisji. Punkty poboru próbek są często lokali-zowane wzdłuż gradientu stężeń. Jeżeli planowane są badania gatunków tubylczych, to liczba i rozmieszczenie miejsc poboru próbek będzie zależało od naturalnej ich dystrybucji. Obecnie prowadzi się wiele badań nad wpływem organicznych zanie-czyszczeń powietrza na mchy. Wykorzystywane gatunki to między innymi Hypnum cupressiforme, Hylocomium splendens, Rhacomitrium lanuginosum, Sphagnum sp.

Kumulacja zanieczyszczeń przez rośliny wyższe

Rośliny wyższe są wykorzystywane jako wskaźniki w monitoringu skażenia powie-trza w rejonach bardzo zanieczyszczonych, gdzie porosty i mchy z powodu skażenia

często nie występują (Jambhulkar i Juwarkar, 2009). Aerozole metali zanieczyszczają glebę i rośliny, które nie tylko przechwytują zanieczyszczenia z depozycji atmosfe-rycznej, ale również akumulują metale z gleby przez pobór systemem korzeniowym (Oleszczuk, 2007; Monteiro i in., 2009).

W badaniach bioindykacyjnych zanieczyszczeń powietrza, w których miarą jest obserwacja uszkodzeń roślin lub upośledzenia procesów fizjologicznych (odpo-wiedź), odpowiednie są gatunki wrażliwe. Akumulujące gatunki wskaźnikowe są natomiast z reguły bardziej tolerancyjne na substancje toksyczne, np. metale (Ła-szewska i in., 2007). Kovács (1992b) zaleca użycie roślin ruderalnych jako wskaźni-ków bioakumulacyjnych z powodu ich zdolności do znacznej akumulacji metali bez widocznych uszkodzeń. Rośliny te również występują powszechnie, co ułatwia po-równania wyników między regionami.

Zarówno drzewa szpilkowe, jak i liściaste mogą być użyte do wykrywania zanie-czyszczenia powietrza metalami ciężkimi. Ich obecność w tkankach liści drzew igla-stych, które są zimozielone, jest wskaźnikiem długotrwałej ekspozycji. Gatunki drzew liściastych wrażliwych na zanieczyszczenia to przede wszystkim brzoza biała (Betula pendula), jesion wyniosły (Fraxinus excelsior), lipa drobnolistna (Tilia corda-ta), jarząb pospolity (Sorbus aucuparia) i jabłoń domowa (Malus domestica). Wskaźniki bioakumulacyjne to na przykład ajlant (Ailanthus glandulosa), wiązowiec zachodni (Celtis occidentalis), wierzba biała (Salix alba), lipa srebrzysta (Tilia tomen-tosa), bez czarny (Sambucus nigra), dąb szypułkowy (Quercus robur) i buk zwyczaj-ny (Fagus silvatica). Topola czarna włoska (Populus nigra sp.) jest zalecana jako szczególnie użyteczny bioindykator metali ciężkich. Poza innymi odpowiednimi ce-chami, gatunek ten jest genetycznie homogeniczny, łatwy do identyfikacji i bardzo rozpowszechniony. Liście róży pomarszczonej (Rosa rugosa) efektywnie kumulują pierwiastki rzadkie (Kovács, 1992b).

Zdolność do kumulowania metali ciężkich mają zielne rośliny naczyniowe: życica (Lolium), dziurawiec zwyczajny (Hypericum), kukurydza (Zea mays), tytoń (Nicotiana tabacum) i kurzyślad polny (Anagallis arvensis).

Oprócz oceny stopnia skażenia na podstawie występowania gatunków wskaźni-kowych rośliny mało wrażliwe na zanieczyszczenia można wykorzystywać do proce-sów oczyszczania powietrza atmosferycznego. Określone gatunki roślin wyższych mogą być stosowane do wychwytywania i zatrzymywania zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego. Takie cechy morfologiczne jak pokos, intensywność wzrostu lub zimotrwałość liści mogą decydować o zastosowaniu danego gatunku do organizacji obszarów ochronnych, tzw. pasów zielonych GB (ang. green belt) wokół obszarów przemysłowych i zurbanizowanych. Istotna jest również wrażliwość roślin na zanie-czyszczenia. Do tego celu zaproponowano indeks tolerancji zanieczyszczeń powie-trza APTI (ang. air pollution tolerance index). Jego wartość może być obliczona na podstawie zależności

9. Biomonitoring elementów środowiska naturalnego 141

(

)

gdzie: A – stężenie kwasu askorbinowego w liściach (mg/g suchej masy), T – stężenie chlorofilu (mg/g świeżej masy), P – pH ekstraktu z liści, R – względna zawartość wody (%).

Tabela 23. Wartości Indeksu oczekiwanej użyteczności (Shannigrahi i in., 2004)

Klasa API

Indeks APTI

Ocena użyteczności organizmów roślinnych

0 do 30 nie zaleca się uprawy 1 31–40 bardzo mała użyteczność 2 41–50 mała użyteczność 3 51–60 umiarkowana użyteczność 4 61–70 średnia użyteczność 5 71–80 zadowalająca użyteczność 6 81–90 duża użyteczność 7 91–100 najwyższa użyteczność

Na podstawie wartości indeksu APTI można przeprowadzić klasyfikację różnego typu organizmów roślinnych (drzewa, krzewy) (Agbaire, 2009). Dla odpowiedniego zakresu wartości indeksu APTI ustalono różne klasy oczekiwanej użyteczności API (ang. anticipated performance index) roślin na obszarach ochronnych (tabela 23).