Izbirni predmet BIOINDIKACIJA · Bioindikator • Organizem, ki odraža okoljske danosti, spremembe (ekološke/okoljske dejavnike: svetloba, toplota, pH, prebitek ali pomanjkanje

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo

Katedra za aplikativno botaniko, ekologijo, fiziologijo rastlin in informatiko

Univerzitetni študij AGRONOMIJA

Izbirni predmet BIOINDIKACIJA

Šolsko leto 2011/12 Franc Batič

Bioindikator

• Organizem, ki odraža okoljske danosti, spremembe (ekološke/okoljske dejavnike: svetloba, toplota, pH, prebitek ali pomanjkanje hranil, kombinacijo okoljskih dejavnikov, delovanje živali, človeka)

• Potencialno so vsi organizmi indikatorji, še posebej pa tisti, ki so pritrjeni (rastline, glive, mikroorganizmi, ..

Rastline kot kazalci stanja okolja

• Uporaba višjih rastlin za ugotavljanje rastiščnih razmer, rodovitnosti tal, prisotnosti vode, redkih kovin v kmetijstvu, gozdarstvu, rudarstvu

• Razvoj botanike, ekologije, fitocenologije: natančnejše poznavanje rastlinskih vrst in njihovih prilagoditev na posamezne okoljske dejavnike in njih kombinacije

RASTLINE KOT INDIKATORJI Zeigerwerte von Pflanzen in Mitteleuropa (Ellennerg et al., 1992)

• L- svetlobno število: 1 (skiofiti) – 9 (heliofiti) • T- temperaturno število: 1(mrazoljubne,alpinski, nivalni pas) -9 (termofilne) • K- kontinentalnost: 1 (oceanske)- 9 (eukontinentalne) • F- vlažnost: 1(ekstremni kserofiti) – 12(potopljeni hidrofiti) • R- reakcija tal: 1(ekstremni acidofili) – 9 (bazifilne in kalcifilne vrste) • N- dušikovo število: 1 (vrste na N revnih habitatov) – 9 (nitrofili) • S- slanost: 1(glikofiti) – 9 (euhaline in hipersaline vrste) • Pri lišajih še: • To- toksitoleranca: 1 (zelo majhna) – 9 (zelo velika) • Ä – spremenjenost/ogroženost: 1 (izginule, zelo ogrožene vrste) – 9 (zelo

razširjene, toksitolerantne vrste); pri višjih rastlinah je zato hemerobičnost

Apnenčasta geološka podlaga vpliva na nastajanje tal, vodni in termični režim rastišča. Temu je potrebno dodati še specifično delovanje Ca ++ iona, ki deluje bazično, kar vse skupaj vpliva, da imajo območja z apnenčasto, kraško geološko podlago specifično floro in vegetacijo.

Večina slovenske obale je flišna. Ta geološka podlaga vpliva na lastnosti tal, ki so bolj vododržna kot na Krasu, hladnejša, vse to povzroča, da so na naši obali prevladujoči listopadni submediteranski gozdovi in travišča nastala iz njih, ni pa še prave vednozelene evmediteranske vegetacije.

Šotna tla visokih barij imajo cel niz fizikalno kemijskihb posebnih lastnosti (revna na hranilih, pogosto zalita z vodo-hipoksija, mraziščni značaj) zato na njih uspevajo na te razmere prilagojene rastlinske vrste-visokobarske rastline. Na fotografiji je star ostanek še ne povsem porezane šote na ostanku visokega barja Goričica na Ljubljanskem barju z ostankom resave in močno vrastjo navadne krhlike, brez in rdečega bora.

Večji ostanek resave na Goričici, šotne mahove in mesojede rastline najdemo predvsem v jarkih.

Občasne, redne poplave in redna košnja v preteklosti sta oblikovala obširne močvirne travnike na Cerkniškem jezeru. Brez košnje bi površino kmalu zarasle vrbe, jelša in druge drevesne vrste poplavnih gozdov.

Občasne, redne poplave in redna košnja v preteklosti sta oblikovala obširne močvirne travnike na Cerkniškem jezeru. Brez košnje bi površino kmalu zarasle vrbe, jelša in druge drevesne vrste poplavnih gozdov.

Poplavni, obrečni nižinski gozdovi in košeni travniki na Planinskem polju.

Poplavni, obrečni nižinski gozdovi in košeni travniki na Planinskem polju.

Globina vode, frekvenca in trajanje poplavljenosti z morsko vodo določata tip vegetacije v teh specifičnih obmorskih habitatih.

STRES

KOMPETICIJA

DISTURBANCE

Indikatorji dušika: Rumex alpinus, Urtica dioica, Amaranthus retroflexsus

ONESNAŽEVANJE OKOLJA-INDIKATORJI

• Onesnaževanje vode, zraka, tal po “industrijski revoluciji” (razvoj industrije, prometa, energetike, urbanizacija,”industrializacija” kmetijstva)

• Lokalne, regijske, globalne drastične spremembe okolja

• Skrb za zdravje ljudi, imetje,naravo • Omejevanje onesnaževanja okolja in vzpostavitev

spremljanja stanja okolja (okoljski monitoring • Fizikalno-kemijske meritve emisij in imisij • Potreba po uvedbi bioindikatorjev

(Arndt in sod. 1987)

Bioindikatorji-živi kazalniki stanja v okolju

= organizmi, ki s svojimi življenjskimi funkcijami odražajo razmere v okolju

(npr. epifitski lišaji); (Arndt in sod. 1987)

BIOINDIKATORJI

Način dajanja informacij akumulacijski odzivni

Način uporabe

kazalci testerji

monitorji

Tip bioindikacije pasivna aktivna

Razmere ekosistem laboratorij

KRITERIJI ZA BIOINDIKATORJE

• Odzivnost na spremembe v okolju

• Značilnost odziva za določene okoljske spremembe

• Merljivost odziva

• Pogostost bioindikatorja

• Lahka prepoznavnost

• Možnost gojenja v nadzorovanih razmerah

• Hitra rast

• Velika biomasa

• Reprezentativnost odziva za : ekosistem ali njegov del, zdravje ljudi

• Noben bioindikator ne izpolnjuje vseh pogojev

• Izbor indikatorja glede na namen raziskave, vrste sprememb/onesnaženja, vrste ekosistema, habiata

ONESNAŽEVANJE ZRAKA IN PROPADANJE GOZDOV, EVTROFIKACIJA IN ZAKISLJEVANJE EKOSISTEMOV

• Prekomerni izpusti N in S spojin (F, Cl, težke kovine, organska onesnažila), praha

• Različna občutljivost vrst, združb, ekosistemov

• Lokalni,regijski, globalni negativni pojavi

• Sprejetje okoljskih zakonodaj, mednarodnih konvencij

• Vzpostavitev monitoringa in biomonitoringa

HIPOTEZE O VZROKIH PROPADANJA GOZDOV

• Hipoteza epidemije (Kandler; ovržena ?)

• Hipoteza naravnega stresa (klima, talne razmere;

• Hipoteza neposrednega vpliva onesnaženega zraka (amonijeva, ozonova, žveplova hipoteza); Hipoteza zakisanja gozdnih tal

• Ekosistemska hipoteza (Ulrich, 1983)

• “Multistres” hipoteza (NAPAP, 1990; Fuehrer & Nopp, 2001)

UKREPI ZA ZMANJŠANJE ONESNAŽENOSTI ZRAKA:

• Sprejetje mednarodne konvencije (UN ECE in CEC) CLRTAP (Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution), sprejeta 1979, začela veljati 1983)

• sprejetih 8 protokolov, ki zavezujejo vlade za kontrolo onesnaženja zraka:

• 1: EMEP (že ob podpisu in veljavnosti konvencije (The Cooperative Programme for Monitoring and Evaluation of the Long-range Transmission of Air Pollutants in Europe)

• 2: WGE (1981, Working Group on Effects): preučevanje učinkov onesnažil na zdravje ljudi in okolje ; 6 ICP + Task Force on Health Aspects of Air Pollution (WHO)

Konvencija UN ECE CLRTAP in njena telesa

Connvention on Long-Range Transpoundary Air Pollution

UKREPI,..

• 4. Protocol on Nitrogen Oxides 1988 (zmanjšanje emisij N-onesnažil + uporaba “najboljših tehnologij”, ki delno že upošteva učinke, s tem, da uvede “kritične obremenitve (critical loads concept), pod katerimi naj ne bi bilo škodljivih učinkov na ekosisteme, glede na znanje,..); sprejetje navodil (Manuals, 1980-1990); harmonizacija

• 5: Protocol on Further Reduction of Sulphur Emissions 1994; prvi “effects based protocol”za kontrolo emisij zračnih onesnažil, upoštevaje za države specifične razmere in cilje; postavi nacionalne emisijske plafone, ki jih podpisnice morajo upoštevati (desulforizacija TEŠ!, problem TET in toplarne Ljubljana)

• 6: Gothenburg Protocol 1999, multi pollutant and multi effect protocol; protokol hkrati regulira acidifikacijo in evtrofikacijo ekositemov in troposferki ozon, s tem, da določa emisijske plafone za 4 najvažnejše skupine onesnažil: žveplove spojine, dušikove spojine(NOx, NH4) in hlapne organske polutante (VOCs)

Ukrepi..

• 7: Protocol on Heavy Metals 1998; prioritetno Cd, Pb in Hg, a tudi drugi, lokalno po potrebi; predvsem regulacija težkih kovin iz industrije, prometa, termolektrarn in sežigalnic

• 8: Protocol on Persistent Organic Pollutants (POPs) 1998 ;regulira emisije pesticidov, industrijskih kemikalij (npr PCBs) in snovi, ki se sproščajo ob sežigih in izgorevanjih goriv (npr. dioksini); posebej je obravnavanih 16 spojin; oba novejša protokola še ne bazirata na učinkih, a ta pristop je v razvoju “effect based”

Zakonsko določene imisijske koncentracije v Sloveniji:

• SO2 NO2 Dim O3

• MIVleto 50g/m3 - 50 g/m3 -

• MIV 24 ur 125 g/m3 150 g/m3 65 g/m3

• KIV24ur 250 g/m3 - - 130 g/m3

• MIV1ura 350 g/m3 300 g/m3 150 g/m3

• KIV 1ura 700 g/m3 - - -

KRITIČNE VREDNOSTI ZA OZON(Mapping Manual, UNECE, 2004)

• 1. izhajajoče iz koncentraciji O3 (AOT40):

• - kmetijske rastline: CL= (AOT40) 3 ppm h v treh mesecih, učinek: zmanjšan pridelek • - hortikulturne rastline: CL = (AOT40) 6 ppm h; 3,5 meseca, učinek: zmanjšan pridelek • - polnaravna vegetacija (trajna travišča): CL =(AOT 40) 3 ppm h; 3 meseci ali rastna

sezona; zmanjšana rast trajnic in zmanjšana rast in produkcija semen enoletnic • - gozdna drevesa: CL= (AOT 40) 5 ppm h; rastna sezona, zmanjšana rast • - VPD modificirana vrednost za kmetijske rastline: CL= AOT30VPD 0.16 ppm h

(predhodnih 8 dni; učinek:vidne poškodbe listov)

• 2. izhajajoč iz pretoka O3 (AFy):

• - pšenica: CL= (AFst6) 1 mmol m-2PLA; obdobje:970oC-dni ali 270 oC-dni pred sredino cvetenja ali 55 dni začenši 15 dni pred sredino cvetenja

• - krompir: CL= (AFst 6) 5 mmol m-2 PLA; obdobje: 1130 oC-dni začenši po vzniku ali 70 dni po vzniku; učinek: za obe poljščini je zmanjšanje pridelka

VPLIV ZRAČNIH ONESNAŽIL NA RASTLINE

• Splošno: SIMPTOMI: - zgodnji: akumulacija onesnažila, njegova presnova; vplivi na membrane, encime, dihanje, fotosintezo, sprememba v hormonskem stanju, delovanje rež, vedno več odzivov hkrati; akutne, kronične poškodbe - poznejši: vidne poškodbe, zmanjšano razmnoževanje, razširjenost,.. ŽVEPLOV DIOKSID - najstarejše onesnažilo zraka; vulkani, požari; dejavnosti človeka – taljenje rud; izgorevanje fosilnih goriv; vstop v rastlino: rs

SO2 = 0.84 rs CO2 – torej ista pot; vpliv na reže: stimulacija odpiranja pri majhnih koncentracijah (cca 45 μg SO2 m –3), zapiranje pri velikih (nad 1300 μg SO2 m –3); vstop tudi preko kutikule; - apoplastna in simplastna pretvorba; apoplast: tvorba sulfita, oksidacija v sulfat (peroksidaze); v simplastu tvorba hidrogen sulfita (HSO3 -) in njegova porazdelitev

v razmerju 96:3:1 med kloroplast, citosol in vakuolo (pH kloroplasta =cca 8 !) kloroplastu: redukcija in tvorba S- aminokislin (cistein, metionin, glutationa, tiolov), če zmanjka C skeletov tvorba H2S in izločanje le tega (omejen obseg); druga možnost je oksidacija HSO3

- v sulfat ob tvorbi radikalov, ki poškodujejo klorofil, če ni zaščite (npr.SOD); - drugi škodljivi učinek je kompeticija med SO2 in CO2 za vezavo pri RUBISCO; večja občutljivost C3 kot C4 rastlin (Miscanthus sinensis, Andropogon virginicus – C4 trave ob vulkanskih žrelih) - različna občutljivost različnih skupin rastlin; zelišča manj kot drevesa, iglavci bolj kot listavci, velika občutljivost lišajev in mahov – odvisnost od oblike steljke in protoplazmatske odpornosti

FOTOOKSIDANTI Ozon (O3), PAN (peroksi – acetil-, -butil-, -benzil- nitrati); nastanek: fotokemične reakcije; mesta: dušikovi oksidi (NO2, NO), VOC (alkani, aromatski ogljikovodiki); v naravi: iz VOC, ki jih izloča vegetacija (terpeni, izopreni (npr. pinen)), manj N2O, NO iz tal ); Vstop v rastlino: skozi reže, delno tudi skozi kutikulo (še bolj NOx) Načini delovanja: tvorba radikalov; poškodba membran, encimov, motnja transporta, splošna poškodovanost celice in motnja presnove, smrt Zaščita in simptomi: preprečitev vstopa (reže); razstrupljanje radikalov (SOD, katalaza peroksidaze), askorbinska kislina, glutation, tokoferol, flavonoidi, polifenoli, salicilna kilsina; stresni antioksidativni sindrom Specifična občutljivost: metuljnice (detelja, fižol, soja); tobak,

Občutljivost in poškodovanost rastlin sta odvisni:

• doze sprejetega onesnažila (koncentracija, trajanje, meteorološki dejavniki, oblika pokrajine)

• Rastline (zgradbe,življenjske oblike fenofaze, starosti, stanja, vrste onesnažila, okoljskih dejavnikov)

Nasplošno velja:

• Večja kot je starost in s tem možnost kopičenja onesnažila v listih, organih večja je občutljivost (enoletne kmetijske rastline so manj občutljive kot drevesa, najbolj občutljivi so na SO2 lišaji, iglavci)

• Sposobnost omejevanja privzema onesnažila ali celo izogib stresu povečujejo odpornost; npr. zapiranje rež, debela kutikula, listopadnost,

• Sposobnost presnove onesnažila povečuje odpornost; npr. križnice in metuljnice so bolj odporne na SO2, ker v normalni presnovi potrebujejo vež žvepla

• Učinki onesnažil so v določeni meri podobni, v določeni specifični, neposredni ali posredni, odvisni od vrste rastlin in medsebojnih interakcij-

posploševanje je zato neprimerno

NAČINI DELOVANJA:

A) Neposredno: primarna onesnažila v zračni fazi

B) Neposredno: sekundarni polutanti, kisel dež, vpliv preko tal, klimatskih

sprememb

Znanstveno preverjeni učinki depozicije kislih padavin in zračnih onesnažil na rastline:

• Neposredna strupenost za korenine, mikorize in mikrobne populacije v tleh zaradi mobilizacije kovin (kisel dež)

• Škodljivi vpliv dušika na mikorize (kisel dež, ozon)

• Povečano izpiranje hranil iz listov (kisel dež)

• Škodljivi vplivi na fotosintezo, dihanje, premeščanje asimilatov ter škodljiv vpliv na morfologijo (kisel dež, ozon, žveplov dioksid)

• Zapoznela prilagoditev na mraz v jeseni in prekinitev dormance pozimi, kar vodi v zimske poškodbe in izčrpavanje (kisel dež, ozon)

• Zmanjšana ali uničena sposobnost razmnoževanja in regeneracije (kisel dež, ozon)

• Povečana občutljivost na škodljivce (insekte in bolezni)(kisel dež, ozon)

Sodelovanje Slovenije v WGE: UNECE ICP- Forest (Forest Focus) in ICP Vegetation; 2004 ICP-Waters

• UNECE ICP-Forest (The United Nations Economic Commission for Europe International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Forests); ustanovljen v okviru WGE 1985 (Manuali 1986, 1989) in v okviru EU (CEC) 1987; prvo skupno poročilo 1992; sedaj Forest Focus; delno implementiran v evropski okoljski (in slovenski) zakonodaji

• UNECE ICP-Vegetation (The United Nations Economic Commission for Europe International Cooperative programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops) je program, ki je bil ustanovljen leta 1987 znotraj WGE konvencije CLRTAP.

Propadanje gozdov in pomen aktivnosti v okviru ICP-Forest za zamanjšanje onesnaženja zraka

• Simptomi propadanja gozdov zaradi onesnaženega zraka se razlikujejo od klasičnih gozdarskih škod (klimatskih, zaradi škodljivcev in bolezni, zaradi spravila)

• Podobnost simptomov propadanja na velikih površinah z znanimi poškodbami vegetacije v bližini točkovnih virov zračnih onesnažil (ob topilnicah, termoelktrarnah,..)

• Pojav propadanja gozdov na velikih površinah, oddaljeno od znanih virov zračnega onesnaženja s hkratnim naraščanjem onesnaženosti zraka

• “ekosistemski pomen gozdov” - osnovni kopenski ekosistemi na velikem delu Zemlje in njihove funkcije

• Razvoj paradigme o trajnostnem razvoju človeške družbe “gozdni ekosistem kot model” in nenamenski vpliv onesnaženja zraka na gozdove kot posledica konfliktov v dejavnosti človeka

POMEN ZRAČNIH ONESNAŽIL PRI PROPADANJU GOZDOV:

Onesnažila kot predispozicijski dejavnik

Onesnažila kot sprožilni dejavnik

Onesnažila kot sodelujoči dejavnik (Manning & Skelly); enako kot pri hipotezah v odvisnosti od naravnih razmer in vrste in trajanja onesnaženja vse drži

Stanje propadanja gozdov v Sloveniji:

• Klasični emisijski centri (Žerjav, Zasavje, Celje, delno okolica Šoštanja- Zavodnje – velja hipoteza direktnega vpliva onesnažil, hipoteza multiplega stresa) so delno sanirani

• Daljinski vnos onesnažil v kombinaciji z rastiščnimi razmerani in gojenjem gozdov ( Pohorje – izpostavljene lege, manjše površine na občutljivih tleh drugod) je še vedno prisoten

• Naravni stresi,bolezni, onesnaženje kot predispozicija ali sodelujoči dejavnik (propadanje jelke – še vedno ne povsem raziskano; propadanje hrastov)

• Več v predstavitvah predavateljev GIS, ERICo (ICP-Forest)

Ravni spremljanja in ugotavljanja škodljivih učinkov

onesnaženega zraka na gozdove:

• Vidne poškodbe (sanitarne sečnje, spremljanje osutosti, razbarvanosti, motenj v razrasti,.. (ICP-Forest I)

• Biokemijske anatomske in fiziološke analize tkiv, organov; analize tal

• Meritve vnosa in iznosa snovi (onesnažil)-ekositemske raziskave (ICP-Forest II)

• Razvoj različnih metod bioindikacije (drevesa, talna vegetacija,lišaji, glive, mahovi, divjad, različne skupine favne)

Gozd in gozdna flora kot indikator

• Stanje asimilacijskega aparata (osutost, razbarvanje, mikroskopske analize listov, tkiv, organelov)

• Motnje v razrasti

• Analize prirastkov

• Foliarne analize (vsebnost žvepla, makrohranil, polutantov)

• Analize tal (vsebnost hranil, pH, C/N, polutantov, korenin, mikoriz, )

• Analize obrastlosti z lišaji in vrstna diverziteta lišajev

• Analize mikoriz (tipi, vrstna diverziteta gliv)

00,050,1

0,150,2

0,25

Javor Kljuc Kovk Marno Ravenvseb

nost

žve

pla

(%)

1988 1990 1991 1995

Razvoj bioindikatorjev v okviru preučevanja propadanja gozdov

• Gozdno drevje: osustost, deskoloracija, spremembe v razraščanju (zgodnje staranje), vsebnost onesnažil, hranil, parametrov vitalnosti (fotosintezna barvila, antioksidanti (neencimski, encimski), fotosinteza, respiracija, osali procesi); spremembe v prirastku, morfološko-anatomske spremembe na različnih ravneh (kutikula, stanje rež, kloroplast, floem, aktivnost kambija,..

Preglednica 1: Prilagojene mejne vrednosti za razvrščanje vsebnosti žvepla v smrekovih iglicah tekočega letnika v razrede (KALAN s sod., 1995).

Vsebnost žvepla v mg/g Razred tekoči letnik iglic enoletne iglice

1 do 0.97 do 1.14 2 0.98 – 1.23 1.15 – 1.49 3 1.24 – 1.58 1.50 – 1.92 4 nad 1.58 nad 1.92

Preglednica 2: Mejne vrednosti za skupni razred vsebnosti žvepla v iglicah tekočega leta in v enoletnih iglicah (KALAN s sod., 1995)

skupni razred vsebnosti žvepla vsota razredov vsebnosti žvepla enoletnih in dvoletnih iglic

1 2 2 3 in 4 3 5 in 6 4 7 in 8

Koreninski sistem in gozdna tla

• Spremembe v gozdnih tleh (akumulacije onesnažil, evtrofikacija, zakisovanje. Pomankanje hranil (Mg,, K, Ca,..); sprememba v mineralizaciji (C/N, --); spremebe v mikorizi in rizosferi (predavanje Kraigher), spremembe v popu lacijah gliv-gob

• Spremembe v pritalni vegetaciji: navezava na fitocenologijo in Elenbergove indikatorje (N-evtrofikacija (črni bezeg, koprive,..), zakisovanje (acidofilna flora); spemeba v sestavi in obilnosti vrst

Meritve in učinki zračnih onesnažil

Poškodbe po ozonu

Jesenski izgled ozonskih poškodb

Lišaji in mahovi kot bioindikatorji

• Ektohidri organizmi

• Mineralna prehrana odvisna od zračnih depozitov, brez pravih krovnih tkiv

• Trajnice- velika možnost akumulacije

• Prednosti lišajev, mahov

• Razvoj diferencialne diagnostike sprememb v okolju z uporabo bioindikatorjev:višje rastline, mahovi, lišaji, glive, favna