Исследователи из МФТИ создали шкалу соотношения концентрации радикалов в составе лишайников с экологическим состоянием воздуха на территории, позволяющую без непосредственных замеров загрязнения атмосферы, выявлять зоны, опасные для жизни человека. В качестве модели рассматривались образцы лишайникаXanthoria 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 Журавлёва, доцент департамента химии МФТИ: «Мы доказали, что метод спектроскопии электронного 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. 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 ходе окислительно-восстановительных реакций и обмена электронами ионы металлов будут иметь нечетное количество 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 Трухан, 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 отражают риски для населения».
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. Низкий уровень загрязнения атмосферы (ИЗА<5) наблюдается в городах Дубна и Долгопрудный, а высокий — в Москве и Нижнем Новгороде (5<ИЗА<7). Эти данные прямо соотносятся с обнаруженными концентрациями радикалов и парамагнитных металлов в образцах лишайника. Например, концентрация радикалов органических соединений в образцах из Москвы в 1,9 раза 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.
