Способ сравнительной оценки загрязнения воздуха по высшим растениям

Изобретение относится к области защиты окружающей среды и может быть использовано в биоиндикации атмосферного воздуха. Оценку загрязнения воздуха по высшим растениям проводят по сравнению усредненных величин модулей разницы фрактальной размерности правой и левой части листьев. При отличии полученной величины от 0,05 судят о присутствии загрязнения воздуха исследуемой области. Изобретение позволяет определить степень загрязненности атмосферного воздуха по разнице фрактальных размерностей флуктуирующей асимметрии половинок листьев березы. 1 табл.

 

Изобретение относится к области защиты окружающей среды и может быть использовано в биоиндикации атмосферного воздуха.

Известен способ оценки загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами и другими химическими элементами с помощью эпифитных мхов (RU 2463584, G01N 23/222, G01N 21/62, опубл. 10.10.2012,), по которому отбирают образцы мха с коры старых осин, после гомогенизации полученный материал делят на две части, из каждой части изготавливают от 5 до 10 параллельных представительных проб, одну часть представительных проб подвергают атомно-эмиссионной спектрометрии, на основании которой определяют концентрации химических элементов в каждой пробе, другую часть представительных проб подвергают облучению потоком тепловых нейтронов в течение не более 5 часов, измерение удельной активности каждой пробы проводят после спада активностей Na²⁴ до безопасного уровня, делают вывод о загрязненности атмосферного воздуха путем сравнения полученных концентраций химических элементов в представительных пробах с исследуемой территории относительно образцов представительных проб мхов, отобранных на фоновой территории с природно-климатическими условиями, одинаковыми с исследуемой территорией, и удаленной на расстояние более 100 км от промышленных центров в направлении, противоположном преимущественной розе ветров.

Известен способ оценки качества атмосферного воздуха по состоянию лишайников-биоиндикаторов (RU2459202, G01N 33/00, опубл. 20.8.2012,), по которому используют эпифитные лишайники, выполняющие функции поглощающей поверхности, отобранные на пробных площадках, при этом используют эпифитные, широко распространенные (эвритопные, фоновые) виды лишайников Xanthoria parietina (L.) Th. Fr., Evernia prunastri (L.) Ach., Usnea hirta (L.) Weber ex F.H. Wigg., отобранные в реперных точках, площадь сбора не менее 10×10 м, упакованные в бумажные мешки и транспортированные в лабораторию, где отобранные образцы очищают от включений, коры, высушивают, подготавливают для анализа методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии, на основании результатов этого анализа делают вывод о загрязненности атмосферного воздуха тяжелыми металлами (Sr, As, Cu, Ni, Со, Pb, Zn, Fe, Mn) путем сравнения концентрации тяжелых металлов в пробах лишайников, отобранных на исследуемой территории относительно проб эпифитных лишайников, отобранных на фоновой территории (с известным загрязнением).

Известен также способ оценки состояния окружающей среды по хвое деревьев (RU2564916, G01N 33/00, опубл. 20.03.2015,) по которому используется хвоя деревьев 2-3- летнего возраста, которую срезают на высоте 1,5 с части кроны, обращенной к источнику загрязнения, и оценивают экологическое состояние окружающей среды на основании определения соответствия отделяемых хвоинок биологическим особенностям путем осмотра на предмет проявления хлорозов и некрозов, класса повреждения хвои, класса усыхания хвои, при этом в случае, если соответствие биологическим особенностям составляет 95-100%, класс повреждения хвои соответствует хвое без пятен, а класс усыхания хвои соответствует неусохшей хвое, то это соответствует экологически безопасной зоне, если соответствие биологическим особенностям составляет 80-94%, класс повреждения хвои соответствует хвое с небольшим числом пятен, а класс усыхания хвои соответствует усыханию 1/3 длины хвоинки, то это соответствует зоне относительного экологического благополучия, если соответствие биологическим особенностям составляет менее 80%, класс повреждения хвои соответствует хвое с большим числом черных и желтых пятен, а класс усыхания хвои соответствует усыханию более 1/2 длины хвоинки, то это соответствует зоне повышенного экологического риска.

Недостатками этих аналогов является трудоемкость, ограниченность ареала произрастания растений для биоматериала.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ сравнительной индикации по флуктуирующей асимметрии листьев березы (RU2556985, A01G 23/00, опубл. 20.02.2015,), включающий в себя взятие листьев от учетных деревьев березы и проведение измерений каждого взятого листа. При измерении каждый лист размещают стороной, обращенной к верхушке побега. Измерения осуществляют измерительным циркулем и линейкой. Пробные листья берут с каждой березы по меньшей мере с двух произрастающих в разных условиях по загрязненности воздуха березняках по ориентации висячих укороченных побегов по четырем сторонам света по компасу. Измерение ширины взятых пробных листьев выполняют слева и справа половинок листа. Дополнительно измеряют слева и справа половинок листа длину второй от основания листа жилки второго порядка. Далее по измеренным данным проводят статистическое моделирование. Сравнительную индикацию экологического состояния среды, окружающей березняки, осуществляют по полученным статистическим показателям.

Недостатком этого способа является трудоемкость, ограниченность ареала сбора биоматериала.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и упрощение методов биоиндикации за счет интеграции с математическими методами сканировнием листовой пластинки без сбора биоматериала.

Технический результат - определение степени загрязненности атмосферного воздуха по разнице фрактальных размерностей флуктуирующей асимметрии половинок листьев березы.

Поставленная задача и технический результат достигаются в сравнительной индикации по флуктуирующей асимметрии листьев березы, включающий в себя взятие листьев от учетных деревьев березы и проведение измерений каждого взятого листа, при которых лист размещают стороной, обращенной к верхушке побега, пробные листья берут с каждой березы по меньшей мере с двух произрастающих в разных условиях по загрязненности воздуха березняках по ориентации висячих укороченных побегов по четырем сторонам света по компасу, согласно изобретению определяют фрактальные размерности отсканированных поверхностей правой и левой части листьев, находят отношение фрактальной размерности большей по размеру половинки листа к меньшей при присутствии асимметрии каждого листа, находят среднюю для всех листьев определенной области исследования березняков, сравнительную индикацию экологического состояния среды, окружающей березняки, осуществляют по сравнению усредненных величин модулей разницы фрактальной размерности правой и левой части листьев, при отличии полученной величины от 0,05 судят о присутствии загрязнения воздуха исследуемой области.

Пример конкретной реализации способа.

Исходным материалом для работы послужили отобранные листья березы повислой (Betula pendula) в июле 2019 года в разных частях города Уфа Республики Башкортостан. Листья, отобранные в каждой части гор ода, помещались в отдельный конверт, конверт подписывался.

Флуктуирующая асимметрия, представляет собой незначительные ненаправленные отклонения от строгой билатеральной симметрии как следствие несовершенства онтогенетических процессов, т.е. является результатом неспособности организмов развиваться по точно определенным путям [Van Valen L. A study of flucturing asymmetry//Evolution. - 1962. - V. 16. - №2. - P. 125-142]. Метод биоиндикации с использованием листьев растений широко распространен и применяется уже давно в экологических исследованиях для биомониторинга окружающей среды. Изучая флуктуирующую асимметрию листьев можно судить о наличии загрязнителей в атмосферном воздухе и в почвах, на которых произрастают растения [Молчатский С.Л. и др. Применение метода фрактального анализа для биоиндикационной оценки состояния окружающей среды//Самарский научный вестник. 2016. - №4. - С. 28-30].

Каждый отобранный лист был отсканирован. Отсканированное изображение листьев было загружено в программу FrackOut (можно использовать любую лицензированную программу для расчета фрактальной размерности). При измерении фрактальной размерности изображение каждого листа размещалось стороной, обращенной к верхушке побега. Определялись фрактальные размерности отсканированных проекции правой и левой части листьев. Результаты расчета занесены в таблицу.

Сравнительную индикацию экологического состояния среды той или иной зоны города, окружающей березняки, осуществляли по сравнению усредненной разницы фрактальной размерности правой и левой части листьев.

Как видно из таблицы, усредненная разница величин фрактальной размерности правой и левой части листьев: для зоны 1 г. Уфа составила 0,11, для зоны 2 г. Уфа - 0,07, т.к. 0,07>0,05 и 0,11>0,05, то можно судить о загрязненности воздуха исследуемой зоны 1 и зоны 2; и т.к. 0,070,11, то загрязнение атмосферного воздуха зоны 1 больше, чем зоны 2.

Расширенные и дополненные исследования по биоиндикации воздушной среды за многолетний период определенной территории можно использовать для составления информационных карт состояния воздушной среды.

Сравнительную индикацию экологического состояния среды, окружающей березняки, осуществляют по сравнению усредненному модулю разницы фрактальной размерности правой и левой половинки листьев.

Итак, заявляемое изобретение позволяет определить степень загрязненности атмосферного воздуха по разнице фрактальных размерностей флуктуирующей асимметрии половинок листьев березы и расширить функциональные возможности и упростить методы биоиндикации за счет интеграции с математическими методами сканировнием листовой пластинки без сбора биоматериала.

Способ сравнительной оценки загрязнения воздуха по высшим растениям, заключающийся в сравнительной индикации по флуктуирующей асимметрии листьев березы, включающий в себя взятие листьев от учетных деревьев березы и проведение измерений каждого взятого листа, при которых лист размещают стороной, обращенной к верхушке побега, пробные листья берут с каждой березы по меньшей мере с двух произрастающих в разных условиях по загрязненности воздуха березняках по ориентации висячих укороченных побегов по четырем сторонам света по компасу, отличающийся тем, что определяют фрактальные размерности отсканированных поверхностей правой и левой части листьев, находят разницу фрактальной размерности большей по размеру половинки листа к меньшей при присутствии асимметрии каждого листа, находят среднюю для всех листьев определенной области исследования березняков, сравнительную индикацию экологического состояния среды, окружающей березняки, осуществляют по сравнению усредненных величин модулей разницы фрактальной размерности правой и левой части листьев, при отличии полученной величины от 0,05 судят о присутствии загрязнения воздуха исследуемой области.