Ученые МФТИ проверили загрязненность московского воздуха с помощью лишайников

Исследователи из МФТИ предложили анализировать состав лишайников для оценки экологического состояния территории. В качестве модели рассматривались образцы лишайника Xanthoria parietina, собранные рядом с городами Дубна, Долгопрудный, Нижний Новгород и Москва. Проводилась оценка концентрации соединений железа, меди, марганца, а также радикалов естественных компонентов лишайников — фенолов и полифенолов. Результаты опубликованы в Journal of Applied Spectroscopy.

Светлана Журавлева, доцент департамента химии МФТИ: «Мы доказали, что метод спектроскопии электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР) применим для оценки состояния окружающей среды на территории городов, поскольку изменение концентрации радикалов в составе лишайников определяется качеством атмосферного воздуха. Важным преимуществом данного метода является его универсальность: оценку экологического состояния можно проводить на территориях, где отсутствуют станции контроля атмосферы, число которых даже в многомиллионных городах не превышает десяти».

Ионы металлов и свободные радикалы органических молекул необходимы для протекания различных ферментативных реакций в нашем организме. Однако избыточное содержание ионов и радикалов приводит к нарушению клеточного метаболизма и естественного баланса окислительно-восстановительных реакций: повреждаются липиды клеточных мембран, нуклеиновые кислоты и белки. Накапливаясь в клетках человеческого тела, такие повреждения приводят к ряду серьезных заболеваний. Одним из основных источников избытка ионов металлов и радикалов в живых организмах является атмосферный воздух плотно населенных индустриальных городов. Ученые подсчитали, что 16% смертей во всем мире за 2015 год произошло вследствие заболеваний, вызванных плохой экологией окружающей среды. Эта цифра в три раза больше, чем количество смертей от СПИДа, туберкулеза и малярии вместе взятых, а также в 15 раз больше, чем от войн и других форм насилия.

Исследуемые металлы: железо, медь и магний, называют «переходными» металлами, поскольку их ионы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, в ходе которых они с легкостью отдают и принимают электроны в пределах допустимых химических правил. Если в процессе окислительно-восстановительных реакций и обмена электронами ионы металлов будут иметь нечетное число электронов (так что один остается без пары), ионы называют парамагнитными. Таким же свойством обладают радикалы. Радикалами называют все остальные ионы, атомы или целые молекулы органических или неорганических веществ, которые также имеют неспаренный электрон. Особенностью радикалов и переходных металлов является их повышенная способность вступать в реакции с окружающими их молекулами. Поэтому при избыточной концентрации таких реакционноспособных агентов в живых клетках повышается количество реакций, которые в норме не происходят. Таким образом, нарушается гомеостаз клеток и организма в целом. Ранее было показано, что увеличение количества радикалов и ионов парамагнитных металлов в организмах млекопитающих, коррелирует с ухудшением состояния здоровья.

Эдуард Михайлович Трухан, доктор физико-математических наук, профессор МФТИ: «Лишайники обладают особой способностью поглощать соединения металлов из загрязненного атмосферного воздуха. Также они автономны и неприхотливы : произрастают на деревьях, камнях, металлических конструкциях, не нуждаются в почве и способны расти при минимальной освещенности, вследствие чего широко распространены на территории России. Таким образом, лишайники являются хорошим кандидатом в индикаторы экологического состояния местности и оценки рисков для населения».

Лишайник

Для анализа состава и концентрации ионов металлов и органических радикалов в лишайнике было использовано два метода физико-химического анализа. Метод электронного-парамагнитного резонанса позволяет определить общее количество ионов металлов и радикалов, а для уточнения концентрации исследователи использовали метод оптико-эмиссионной спектрометрии.

Полученные данные исследователи сравнивали со стандартным комплексным показателем оценки загрязнения окружающей среды — индексом загрязнения атмосферы (ИЗА). Измерения и последующие вычисления ИЗА проводятся Росгидрометом и Министерством экологии и природных ресурсов и находятся в открытом доступе. ИЗА рассчитывается как сумма среднегодовых концентраций загрязняющих веществ в единицах предельно допустимой концентрации с учетом класса их опасности. По оценке ИЗА, низкий уровень загрязнения атмосферы (ИЗА<5) наблюдается в городах Дубна и Долгопрудный, а высокий — в Москве и Нижнем Новгороде (5<ИЗА<7). Эти данные имеют прямое соотношение с обнаруженными концентрациями радикалов и парамагнитных металлов в образцах лишайника. Например, концентрация радикалов органических соединений в образцах из Москвы в 1,9 раз больше, чем в образцах из Дубны, а концентрация парамагнитных металлов в образцах лишайника из Москвы в 5,6 раза больше по сравнению с образцами из Дубны.