RU2723918C1

RU2723918C1 - Bioindication method of background uv-b

Info

Publication number: RU2723918C1
Application number: RU2019134823A
Authority: RU
Inventors: Виктор Леонидович Миронов; Анна Валентиновна Миронова
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-06-18

Abstract

FIELD: biotechnology; physics.SUBSTANCE: invention relates to bioindication of background UV-B and can be used in ecology, public health, when assessing optical properties of atmosphere and condition of ozone layer of the Earth. Method for bioindication of background UV-B involves sampling plants and measuring intensity of UV-B using recording instruments, followed by analysis of correlation values, wherein the plants are SPHAGNUM mosses, as a recording instrument, a spectroradiometer which is integrated into the solar radiation observation satellite, monitoring the daily growth of moss and the daily UV-B intensity at the individual wavelengths, the correlation values being obtained between the obtained data, and the spectral composition of the background UV-B is determined by detecting a reliable negative correlation between the values of the daily growth of moss shoots and solar UV-B at separate wavelengths.EFFECT: technical result is possibility of detecting spectral composition of background UV-B and reducing time and labor costs.1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области биоиндикации фонового UV-B и может быть использовано в экологии, здравоохранении, при оценке оптических свойств атмосферы и состояния озонового слоя.The invention relates to the field of bioindication of background UV-B and can be used in ecology, healthcare, in assessing the optical properties of the atmosphere and the state of the ozone layer.

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.Known devices spectroradiometers designed to detect the intensity of radiation at individual wavelengths in a wide spectral range, including the UV-B spectrum. The disadvantage of these devices is the lack of sensitivity to background UV-B with wavelengths less than 300 nm. In this regard, spectroradiometers practically do not allow to effectively distinguish from the error of the device the presence of background UV-B with wavelengths less than 300 nm.

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.)Closest to the claimed is a method of bioindication of background UV-B, according to which, in different geographical locations, pollen samples are taken from plants of the Pinus genus, the concentration of the natural UV-B protector, p-coumaric acid, is measured and for each geographical location, using a recording device measure the annual dose of UV-B. After this, the correlation between the corresponding concentrations of p-coumaric acid and the annual doses of UV-B is determined and the correlation indicators are used to bioindicate the background UV-B. (Willis KJ, Feurdean A., Birks HJ., Bjune A.E., Breman E. „Broekman R., Grytnes JA., New M., Singarayer JS, 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.The main disadvantage of this method is its unsuitability for detecting the spectral composition of the background UV-B.

Задачей настоящего изобретения является разработка простого и доступного способа для выявления спектрального состава фонового UV-B.The objective of the present invention is to develop a simple and affordable method for detecting the spectral composition of the background UV-B.

Техническим результатом является возможность выявление спектрального состава фонового UV-B, сокращение временных и трудовых затрат.The technical result is the ability to identify the spectral composition of the background UV-B, reducing time and labor costs.

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.The technical result is achieved by the fact that in the method of bioindicating the background UV-B, including sampling plants and measuring the intensity of UV-B using recording instruments, followed by a study of correlation indicators, mosses of the genus SPHAGNUM are used as plants, a spectroradiometer is used as a recording device, integrated into the satellite for observing solar radiation, monitor the daily increase in shoots of mosses and the daily intensity of solar UV-B at individual wavelengths, correlation indicators are examined between the obtained data, and the spectral composition of the background UV-B is determined when a reliable negative correlation between the daily growth values is detected shoots of mosses and solar UV-B at individual wavelengths.

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.Representatives of the plant kingdom are widespread on the globe and usually have a high sensitivity to background UV-B. One of the most sensitive plants is the moss of the genus SPHAGNUM, which under the influence of background UV-B slows down its growth by 9-18%. Sphagnum mosses are the basis of the vegetation cover of boreal marshes; therefore, they are almost everywhere distributed in the northern latitudes.

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.Plants have a unique UVR 8 photoreceptor, which is a biological sensor for short-wave UV-B radiation. Thanks to UVR 8, plants are hypersensitive to radiation with wavelengths of 280-300 nm. Under natural conditions, this radiation is represented by trace amounts that are poorly recorded by physical devices. Many plants have special protection (wax layer, epidermis, etc.) that can absorb or reflect the shortest UV-B wavelengths. However, SPHAGNUM mosses lack such protection, and the thickness of their leaves corresponds to only one layer of cells. This means that they can respond to the full spectrum of UV-B coming into them.

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.The present invention is based on the well-known UVR 8-mediated reaction, expressed in slowing plant growth under the influence of background UV-B. From this specific reaction, it follows that solar UV bursts recorded at wavelengths partially transmitted by the ozone layer, unlike completely absorbed wavelengths, should leave a signature in the form of a slowdown in plant growth. By the presence or absence of such a signature from radiation at individual wavelengths, the authors propose to identify the spectral composition of the background UV-B.

Способ биоиндикации фонового UV-B мхов рода Sphagnum осуществлялся следующим образом:The method of bioindication of background UV-B moss of the genus Sphagnum was carried out as follows:

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.In the period from 2015-2018, at several test sites in a small swamp area of the Prionezhsky region of the Republic of Karelia, sampling of plants was carried out. Samples of shoots on compact fragments of a sphagnum mat were sequentially taken on each trial plot. Each subsequent capture was indented a few centimeters from the previous one.

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.Several methods are known (the peg method, the dressing method, the method of cutting shoots to a known length, and others) that can be used to monitor the linear growth of shoots of mosses of the genus Sphagnum, however, we monitored the original method of determining the linear growth (Patent RU No. 2600827, 2016 ) Nival and artificial geotropic bends were used as growth markers. Initially, the markers were nival geotropic bends, which are formed as a result of a negative geotropic reaction to snow load. As the shoots grow and their lower parts decompose, the monitoring accuracy inevitably decreases, therefore, during the growing season, we induced the formation of artificial bends. To do this, when the shoots were extended to 10-20 cm, we gently pressed 1 m ^{2 of} sphagnum mat with a plywood sheet. As a result, after 1-3 days a geotropic reaction developed on the indented shoots, which led to the appearance of artificial geotropic bends. These bends served as new markers for measuring growth.

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.When monitoring growth, sequential sampling of shoots was carried out on compact fragments of a sphagnum mat in each trial area. Each subsequent capture was carried out from an undisturbed fragment, usually 2-3 days after the previous one, with an indent of several centimeters. Thus, a sequential series of shoot growth values was obtained on each trial plot.

Данные прироста побегов использовались для получения суточного прироста, который определялся следующим образом:Shoot growth data was used to obtain daily growth, which was determined as follows:

• определяли прирост побегов за каждый интервал между двумя последующими взятиями побегов;• determined the growth of shoots for each interval between two subsequent shoots;

• 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.• daily shoot growth was determined by dividing the obtained growth by the length of the interval between subsequent sampling of plants. Thus, the values of the daily growth of shoots during the growing season were determined step by step on each trial plot.

• 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.• a number of daily growth values were determined for the whole bog plot by averaging the corresponding daily growth of shoots among all the trial plots. This series was used in further data processing. The main parameters of the study, confirming the representativeness of the data, are presented in table. 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/.The data on the daily intensity of solar UV, which correspond to the data on the daily growth of shoots of mosses, were recorded by the solar radiation observation satellite SORCE (Solar Radiation and Climate Experiment). Using the SOLSTICE spectroradiometer integrated into the satellite (Solar Stellar Irradiance Comparison Experiment), the daily intensity of solar UV was recorded at wavelengths of 200-310 nm (spectral radiation), that is, in the contact zone of wavelengths that were completely absorbed and partially transmitted by the ozone layer. Radiation with wavelengths shorter than 200 nm was not considered, since it is reliably absorbed in the Earth's atmosphere. Radiation with wavelengths longer than 310 nm was not considered, since it is not detected by the SOLSTICE spectroradiometer. The series of spectral radiation obtained by the SOLSTICE instrument was taken by us from a reliable open source on the Internet: 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.After obtaining the series on the daily increase in sphagnum and spectral radiation, a standard statistical preparation was carried out, which consists in identifying and removing general trends. In the daily increase in sphagnum, a seasonal trend was revealed, induced by the course of seasonal temperature. A second-order polynomial trend was taken as a model for this trend. Detrended data on the daily increase in shoots are presented in Figure 1. A trend induced by the 11-year solar cycle was revealed in spectral radiation. A simple moving average with a thirty-day smoothing window was taken as a model for this trend. The trend removal procedure was carried out in the PAST program. The data obtained after subtraction of trends were checked for normality by visual assessment of the distribution form.

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.At the final stage, to determine the spectral composition, the Pearson correlation coefficients between the deterministic data on the daily increase in sphagnum and spectral radiation (for each individual wavelength) were calculated. In total, we calculated 111 correlation coefficients, which are presented in Figure 2. Each coefficient is based on 539 values of the daily increase in sphagnum. It was found that the correlation coefficients are reliable at p = 0.05 in the spectral range of 286-310 nm, in the range of 200-285 nm, the coefficients are not reliable. These data indicate that radiation with wavelengths of 286-310 nm partially penetrates the ozone layer of the Earth and is present in the background UV, while radiation of 200-285 nm is completely delayed by the ozone layer and does not reach the earth's surface.

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.Thus, the use of the proposed method of bioindication of background UV-B allows you to determine the spectral composition of the background UV-B. To implement the method, only a millimeter ruler and access to open data of daily monitoring of solar UV-B, recorded by a satellite for observing solar radiation, are required. The inventive method does not require the researcher to use high-tech devices and sophisticated sample preparation, which reduces the time and labor costs.

Claims

A method of bioindicating the background UV-B, including taking plant samples and measuring UV-B intensity using recording instruments, followed by studying correlation indicators, characterized in that SPHAGNUM mosses are used as plants, a spectroradiometer integrated into the satellite is used as a recording device observations of solar radiation, monitor the daily increase in shoots of mosses and the daily intensity of solar UV-B at individual wavelengths, correlation indicators are examined between the data obtained, and the spectral composition of the background UV-B is determined when a reliable negative correlation between the values of the daily increase in shoots of mosses and solar UV-B at individual wavelengths.