Люди уже давно умеют концентрировать тяжелые металлы, которые в противном случае оставались бы в низких концентрациях в окружающей среде. Эти антропогенные загрязняющие вещества можно обнаружить еще миллион лет назад, когда в пещерах в эпоху палеолита возникали пожары, до промышленного развития в 19 веке и до повышенных концентраций загрязняющих веществ, таких как кадмий и свинец, в 20 веке.
Из-за воздействия загрязнения тяжелыми металлами на окружающую среду и здоровье человека измерение имеет решающее значение - как для определения текущих уровней, так и для документирования исторических уровней. Однако сбор и анализ ретроспективных данных с помощью таких методов, как химический анализ археологических памятников и сравнение исторических записей с осадочными кернами, может оказаться сложной задачей. В недавней статье, опубликованной в Applications in Plant Sciences, исследователи из Университета Брауна продемонстрировали уникальный ресурс, который был у нас под ногами на протяжении десятилетий: прессованные травянистые растения, помеченные и хранящиеся как гербарные образцы.
Гербарии долгое время были ценным ресурсом - традиционно для помощи в идентификации местной флоры - но в последнее время для решения экологических вопросов, включая инвазивные виды и последствия изменения климата. Точно так же растения десятилетиями использовались в качестве индикаторов загрязнения тяжелыми металлами. Однако это одно из первых исследований, демонстрирующих эффективность использования гербарных образцов травянистых растений для отслеживания изменений концентрации тяжелых металлов с течением времени.
Используя образцы травянистых растений из гербария Университета Брауна, собранные с 1846 по 1916 гг. Тим Уитфельд, старший автор исследования, и его коллеги извлекли и определили концентрации тяжелых металлов, включая медь, свинец и цинк. Используемые образцы растений были собраны в разных районах Провиденса, Род-Айленд. Глядя как на время, так и на шумный промышленный город на рубеже 19-го века, авторы смогли показать, что концентрации цинка и меди оставались относительно постоянными во времени, и что концентрации свинца значительно снизились по историческим записям по сравнению с коллекциями из того же периода. области в 2015 году.
Ведущий автор исследования, София Рудин, студентка Университета Брауна, была основной мотивацией для исследования. «Работая ассистентом по гербарию, оцифровывая нашу коллекцию, она заметила, что многие образцы имеют конкретную информацию о местонахождении различных мест вокруг Провиденса, которые, как она знала, были бывшими промышленными районами. Это побудило ее спросить, можно ли использовать эти образцы для исследования, которое мы в конце концов завершена», - вспоминает доктор. Уитфельд.
Разные виды растений накапливают тяжелые металлы уникальными способами, что затрудняет сбор большого количества образцов растений для простого параллельного сравнения. Чтобы контролировать эту изменчивость, было важно сопоставить виды исторических образцов с видами, найденными в том же районе сегодня. В некоторых случаях это было невозможно, и поэтому исследователи были ограничены отбором образцов в пределах одного рода. Дополнительные проблемы возникли из-за характера использования исторических коллекций.
Уитфельд объясняет: «София столкнулась с особыми проблемами при анализе концентрации ртути из-за исторического использования хлорида ртути в качестве инсектицида в гербарных коллекциях. Обработка инсектицидами заполнила датчик, что было неудачно, потому что документирование изменений Hg [ртути] с течением времени изначально было одной из целей нашего исследования."
Несмотря на эти проблемы, авторы все же смогли выделить более широкие тенденции накопления тяжелых металлов в районе Провиденс, а именно снижение концентрации свинца частично из-за правил Агентства по охране окружающей среды, а также благодаря целенаправленным усилиям по восстановлению в исторически активном районе. промышленная зона.
Уитфельд и его коллеги еще не закончили. По словам Уитфельда, «София дополняет этот проект более подробным анализом концентраций тяжелых металлов на одном из наших исследовательских участков. Ее работа включает в себя анализ отложений пруда, почвы и другие сборы для документирования разнообразия растений… Мы также надеемся, забросить более широкую сеть через Провиденс с анализом исторических образцов подорожника [подорожника] в попытке сопоставить наземные тенденции концентрации тяжелых металлов с измерениями, сделанными в близлежащих морских отложениях в заливе Наррагансетт [к югу от Провиденса].
В дополнение к цели исследования - продемонстрировать полезность гербарных образцов для измерения уровней концентрации тяжелых металлов, у исследования была вторая, не менее важная цель. Как объясняет Уитфельд, «мы хотели подчеркнуть актуальность коллекций гербариев для широкого круга экологических вопросов, чтобы подчеркнуть их важность для биологических наук и наук об окружающей среде».
Список экологических вопросов, которые могут быть затронуты гербариями, длинный и включает биогеографию, этноботанику, отслеживание инвазивных видов, болезни растений и изучение влияния изменения климата на время цветения. Однако на этом влияние гербариев на исследования не заканчивается. Как уточняет доктор Уитфельд, «коллекции гербариев являются особенно ценными инструментами в студенческом научном образовании. По моему опыту, студенты особенно заинтересованы в том, чтобы внести свой вклад в коллекции, и включение возможностей для сбора и предложения полевого опыта для этого является эффективным способом привлекать студентов к изучению ботаники. Поэтому, если университеты вкладывают средства в поддержание своих коллекций гербариев, это дает большую отдачу с точки зрения расширения образовательных возможностей."
В дополнение к образовательным возможностям инвестиции в гербарии приводят к увеличению потенциала для дальнейших ретроспективных исследований. «Многие онлайн-порталы гербариев, на которых собраны цифровые изображения и маркированы данные из разных коллекций, полезны для любого типа исследования, требующего большего количества образцов, чем содержится в домашней коллекции исследователя», - отмечает Уитфельд. «Для небольших гербариев особенно важно иметь возможность искать и получать доступ к коллекциям из более крупных учреждений, чтобы расширить свои исследования».