Способ биоиндикации фонового uv-b
Владельцы патента RU 2723918:
Федеральное государственное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Карельский научный центр Российской академии наук" (RU)
Изобретение относится к области биоиндикации фонового UV-B и может быть использовано в экологии, здравоохранении, при оценке оптических свойств атмосферы и состояния озонового слоя Земли. Способ биоиндикации фонового UV-B включает отбор проб растений и измерение интенсивности UV-B с помощью регистрирующих приборов, с последующим исследованием показателей корреляции, при этом в качестве растений используют мхи рода SPHAGNUM, в качестве регистрирующего прибора используют спектрорадиометр, интегрированный в спутник наблюдения за солнечным излучением, проводят мониторинг суточного прироста побегов мхов и суточной интенсивности солнечного UV-B на отдельных длинах волн, между полученными данными исследуют показатели корреляции, а спектральный состав фонового UV-B определяют при выявлении достоверной отрицательной корреляции между значениями суточного прироста побегов мхов и солнечного UV-B на отдельных длинах волн. Техническим результатом является возможность выявления спектрального состава фонового UV-B и сокращение временных и трудовых затрат. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области биоиндикации фонового UV-B и может быть использовано в экологии, здравоохранении, при оценке оптических свойств атмосферы и состояния озонового слоя.
Известны приборы спектрорадиометры, предназначенные для выявления интенсивности излучения на отдельных длинах волн в широком спектральном диапазоне, включая UV-B спектр. Недостатком этих приборов является недостаточная чувствительность к фоновому UV-B с длинами волн менее 300 нм. В связи с этим, спектрорадиометры практически не позволяют эффективно отличить от ошибки прибора присутствие фонового UV-B с длинами волн менее 300 нм.
Наиболее близким к заявляемому является способ биоиндикации фонового UV-B, согласно которому, в разных географических положениях отбирают пробы пыльцы с растений рода Pinus, измеряют концентрацию естественного UV-B-протектора - р-кумаровой кислоты и для каждого географического положения, с помощью регистрирующего прибора, измеряют годичную дозу UV-B. После этого, определяют корреляцию между соответствующими концентрациями р-кумаровой кислоты и годичными дозами UV-B и используют показатели корреляции для биоиндикации фонового UV-B. (Willis K.J., Feurdean A., Birks H.J.В., Bjune А.Е., Breman E.„ Broekman R., Grytnes J-A., New M., Singarayer J.S., Rozema J. Quantification of UV-B flux through time using UV-B-absorbing compounds contained in fossil Pinus sporopollenin // New Phytologist. -2011. - V. 192. -№.2. - P. 553-560.)
Главным недостатком данного способа является его непригодность для выявления спектрального состава фонового UV-B.
Задачей настоящего изобретения является разработка простого и доступного способа для выявления спектрального состава фонового UV-B.
Техническим результатом является возможность выявление спектрального состава фонового UV-B, сокращение временных и трудовых затрат.
Технический результат достигается тем, что в способе биоиндикации фонового UV-B, включающем отбор проб растений и измерение интенсивности UV-B с помощью регистрирующих приборов, с последующим исследованием показателей корреляции, в качестве растений используют мхи рода SPHAGNUM, в качестве регистрирующего прибора используют спектрорадиометр, интегрированный в спутник наблюдения за солнечным излучением, проводят мониторинг суточного прироста побегов мхов и суточной интенсивности солнечного UV-B на отдельных длинах волн, между полученными данными исследуют показатели корреляции, а спектральный состав фонового UV-B определяют при выявлении достоверной отрицательной корреляции между значениями суточного прироста побегов мхов и солнечного UV-B на отдельных длинах волн.
Представители царства растений широко распространены на земном шаре и обычно имеют высокую чувствительность к фоновому UV-B. Одними из самых чувствительных растений являются мхи рода SPHAGNUM, которые под действием фонового UV-B замедляют свой рост на 9-18%. Сфагновые мхи являются основой растительного покрова бореальных болот, поэтому они практически повсеместно распространены в северных широтах.
Растения имеют уникальный фоторецептор UVR 8, который является биологическим сенсором коротковолнового UV-B-излучения. Благодаря UVR 8 растения обладают сверхчувствительностью к излучению с длинами волн 280-300 нм. В природных условиях это излучение представлено следовыми количествами, которые плохо регистрируются физическими приборами. Многие растения имеют специальную защиту (восковой слой, эпидермис и т.д.), которая может абсорбировать или отражать самые короткие длины волн UV-B. Однако мхи рода SPHAGNUM лишены такой защиты, а толщина их листьев соответствует всего одному слою клеток. Это значит, что они могут реагировать на весь спектр поступающего на них UV-B.
В основу настоящего изобретения положена хорошо известная UVR 8-опосредованная реакция, выраженная в замедлении роста растений под действием фонового UV-B. Из этой специфической реакции следует, что зарегистрированные за пределами земной атмосферы всплески солнечного UV на частично пропускаемых озоновым слоем длинах волн, в отличие от полностью абсорбируемых длин волн, должны оставлять сигнатуру в виде замедления роста растений. По наличию или отсутствию такой сигнатуры от излучения на отдельных длинах волн авторы предлагают выявлять спектральный состав фонового UV-B.
Способ биоиндикации фонового UV-B мхов рода Sphagnum осуществлялся следующим образом:
В период с 2015-2018 годы на нескольких пробных площадях на небольшом болотном участке Прионежского района Республики Карелия проводился отбор проб растений. На каждой пробной площади последовательно брались выборки побегов на компактных фрагментах сфагнового мата. Каждое следующее взятие выполнялось с отступом в несколько сантиметров от предыдущего.
Известны несколько способов (метод колышков, метод перевязок, метод обрезания побегов до известной длины и другие), которые могут использоваться для мониторинга линейного прироста побегов мхов рода Sphagnum, однако мы проводили мониторинг оригинальным способом определения линейного прироста (Патент RU №2600827, 2016 г.). В качестве маркеров прироста использовались нивальные и искусственные геотропические изгибы. Изначально маркерами были нивальные геотропические изгибы, которые образуются в результате отрицательной геотропической реакции на снеговую нагрузку. По мере роста побегов и разложения их нижних частей, точность мониторинга неизбежно снижается, поэтому в течение вегетационного периода мы индуцировали образование искусственных изгибов. Для этого, когда побеги удлинялись до 10-20 см, мы аккуратно вдавливали 1 м2 сфагнового мата фанерным листом. В результате, через 1-3 дня на вдавленных побегах развивалась геотропическая реакция, которая вела к появлению искусственных геотропических изгибов. Эти изгибы служили новыми маркерами для измерения прироста.
При мониторинге роста осуществлялся последовательный отбор выборок побегов на компактных фрагментах сфагнового мата на каждой пробной площади. Каждое последующее взятие осуществлялось с ненарушенного фрагмента обычно спустя 2-3 суток после предыдущего, с отступом в несколько сантиметров. Таким образом, был получен последовательный ряд значений прироста побегов на каждой пробной площади.
Данные прироста побегов использовались для получения суточного прироста, который определялся следующим образом:
• определяли прирост побегов за каждый интервал между двумя последующими взятиями побегов;
• определяли суточный прирост побегов путем деления полученного прироста на длину интервала между последующими отборами проб растений. Таким образом, на каждой пробной площади шаг за шагом были определены значения суточного прироста побегов в течение вегетационного периода.
• определяли ряд значений суточного прироста для целого болотного участка путем осреднения соответствующих суточных приростов побегов среди всех пробных площадей. Этот ряд использовался в дальнейшей обработке данных. Основные параметры исследования, подтверждающие репрезентативность данных, представлены в табл. 1.
Данные по суточной интенсивности солнечного UV, которые соответствуют данным суточного прироста побегов мхов, регистрировались спутником наблюдения за солнечным излучением SORCE (Solar Radiation and Climate Experiment). С помощью интегрированного в спутник спектрорадиометра SOLSTICE (Solar Stellar Irradiance Comparison Experiment) была зарегистрирована суточная интенсивность солнечного UV на длинах волн 200-310 нм (спектральное излучение), то есть на зоне контакта полностью абсорбируемых и частично пропускаемых озоновым слоем длин волн. Излучение с длинами волн короче 200 нм не рассматривалось, поскольку оно достоверно абсорбируется в земной атмосфере. Излучение с длинами волн длиннее 310 нм не рассматривалось, поскольку оно не регистрируется спектрорадиометром SOLSTICE. Ряды спектрального излучения, полученные инструментом SOLSTICE, были взяты нами из достоверного открытого источника в сети Интернет: http://lasp.colorado.edu/lisird/data/sorce_ssi_13/.
После получения рядов по суточному приросту сфагнума и спектральному излучению, была проведена стандартная статистическая подготовка, которая заключается в выявлении и удалении генеральных трендов. В суточном приросте сфагнума был выявлен сезонный тренд, индуцируемый ходом сезонной температуры. В качестве модели этого тренда был взят полиномиальный тренд второго порядка. Детрендированные данные по суточному приросту побегов представлены на рисунке 1. В спектральном излучении был выявлен тренд, индуцируемый 11-летним солнечным циклом. В качестве модели этого тренда было взято простое скользящее среднее с тридцатидневным окном сглаживания. Процедура удаления трендов проводилась в программе PAST. Полученные после вычитания трендов данные были проверены на нормальность путем визуальной оценки формы распределения.
На заключительном этапе для определения спектрального состава были рассчитаны коэффициенты корреляции Пирсона между детрендированными данными по суточному приросту сфагнума и спектральным излучением (для каждой отдельно взятой длины волны). Суммарно мы вычислили 111 коэффициентов корреляции, которые представлены на рисунке 2. Каждый коэффициент основан на 539 значениях суточного прироста сфагнума. Выявлено, что коэффициенты корреляции являются достоверными при р=0.05 в спектральном диапазоне 286-310 нм, в диапазоне 200-285 нм коэффициенты не являются достоверными. Эти данные свидетельствуют, что излучение с длинами волн 286-310 нм частично проникает сквозь озоновый слой Земли и присутствует в составе фонового UV, а излучение 200-285 нм полностью задерживается озоновым слоем и не достигает земной поверхности.
Таким образом, использование предлагаемого способа биоиндикации фонового UV-B позволяет определить спектральный состав фонового UV-B. Для осуществления способа необходимы только миллиметровая линейка и доступ к открытым данным суточного мониторинга солнечного UV-B, регистрируемым спутником наблюдения за солнечным излучением. Заявляемый способ не требует от исследователя использования высотехнологичных приборов и сложной пробоподготовки, что позволяет сократить временные и трудовые затраты.
Способ биоиндикации фонового UV-B, включающий отбор проб растений и измерение интенсивности UV-B с помощью регистрирующих приборов, с последующим исследованием показателей корреляции, отличающийся тем, что в качестве растений используют мхи рода SPHAGNUM, в качестве регистрирующего прибора используют спектрорадиометр, интегрированный в спутник наблюдения за солнечным излучением, проводят мониторинг суточного прироста побегов мхов и суточной интенсивности солнечного UV-B на отдельных длинах волн, между полученными данными исследуют показатели корреляции, а спектральный состав фонового UV-B определяют при выявлении достоверной отрицательной корреляции между значениями суточного прироста побегов мхов и солнечного UV-B на отдельных длинах волн.
