Air Quality Assessment by Using Pine Needles and Moss

RNDr. Mgr. Mária Chropeňová, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Životním prostředím chápeme vše, co je schopno vytvořit přirozené podmínky existence pro všechny živé organizmy, včetně člověka, a je předpokladem jejich dalšího vývoje. Kontaminace onoho životního prostředí je však vážným problémem. Na celém světě zaznamenala míra kontaminace výrazný nárůst, a to zejména v důsledku rozšíření a modernizace průmyslné výroby. Jednou obsáhlou skupinou látek znečišťujících látek jsou perzistentní organické polutanty (POPs). Tato skupina látek představuje toxické organické látky, které jsou schopné dálkového transportu a mohou se kumulovat v živých organizmech. Proto je nezbytné realizovat kontinuální vývoj nových a efektivních metod vzorkovaní. Účinným způsobem stanovení POPs je biomonitoring. Analýza rostlinných bioindikátorů je v porovnání s běžně používanými abiotickými matricemi (voda, půda) výhodná v mnoha oblastech. Nejlepším způsobem, jak určit rozsah a hrozbu kontaminace životního prostředí a konkrétně živých organizmů, je měření hladin kontaminace právě v oněch samotných organizmech. Výhodou je, že není potřeba mít zdroj elektrické energie, některé druhy rostlin jsou vždy zelené a neustále k dispozici a vzorkování je jednoduché a dostupné i v těžce přístupných a odlehlých lokalitách. Jehličí je jedním z efektivních bioindikátorů zejména díky obsahu vosků na svém povrchu. Jedná se o vždy zelené stromy s dlouhou životností. Z těchto důvodů jsou vhodné i k dlouhodobému monitoringu POPs. Další matricí vhodnou a často používanou k biomonitoringu jsou mechy. Hlavním důvodem je to, že těla mechů mají velký povrch, povrchová kutikula není dostatečně vyvinutá, což vede k zachytávání velkého množství částic a tím k hromadění polutantů. Teoretická část dizertační práce obsahuje stručný popis vybraných skupin POPs. V další kapitole je stručně popsán princip biomonitoringu a následně základní popis biotických matric (borové jehličí a mechy). V praktické části dizertační práce byly zpracovávány vybrané druhy borovic (Pinus sylvestris, Pinus nigra a Pinus mugo) a mechu (Pleurozium schreberi). Praktická část dizertační práce obsahuje krátký popis pěti různých studií. Výzkum byl započat vývojem metodiky odběrů a analýzy jehličí (Studie č. 1). Časové fluktuace vybraných skupin SVOC v jehličí a stanovení možných nejistot porovnáním výsledků s aktivním a pasivním (PUF) vzorkováním jsou podstatou Studie č. 2. Studie č. 3 a č. 4 byly zaměřeny na vzorkování jehličí ve vysokohorských lokalitách a v blízkosti lyžařských areálů na Slovensku a v Norsku. Celý metodický postup analýzy jehličí byl inovován a poprvé byl použit nový typ indikátoru – Pinus mugo. Poslední studie (Studie č. 5) byla věnována odběru vzorků mechu Pleurozium schreberi a analýze PBDEs v silně znečištěných průmyslných oblastech Polska. Doktorský výzkum v této problematice jednoznačně prokázal, že jehličí a mech jsou vhodnými typy bioindikátorů volného ovzduší. Výzkum přinesl mnoho zajímavých výsledků, které jsou publikované v prezentovaných článcích.

Abstract:

The environment is everything that creates natural conditions for the existence of organisms, including humans and is a precondition for their further development. A serious problem closely linked to the environment is environmental contamination which, which has substantially increased in recent times on a global scale, due to the expansion and modernization of industrial production. One particular type of contamination is from persistent organic pollutant (POPs), which are toxic organic compounds capable of long-range transport and accumulation in living organisms. To address on-going environmental contamination, development of new useful methods of sampling is necessary. One effective way to measure organic pollutants is biomonitoring. Analysis of plants has many advantages compared with traditional analysis of abiotic matrices (water, soil). Additionally, the best way to determine the extent and threat of contamination in the environment for living organisms is by measurement of the levels of contaminants in the organisms themselves. Electricity is not needed, evergreen plants are constantly available and it is an easy way of sampling in remote and poorly accessible sites. Pine needles stand out as effective biomonitors due to the excellent uptake properties of their waxy layer and their long lifetime on coniferous trees. For these reasons, needles can accumulate POPs over long periods of time. Also, mosses have a high surface to volume ratio enabling particles to be trapped, a high cation exchange capacity, and a lack of a well-developed cuticle in their tissues, leading to accumulation of large amounts of chemicals. The theoretical part of this dissertation thesis contains a brief description of the selected group of POPs. The biomonitoring approach and the basic structure of the selected biomonitoring matrices (pine needles and moss) are introduced. In the practical part of the dissertation study selected types of pine trees (Pinus sylvestris, Pinus nigra and Pinus mugo) and mosses (Pleurozium schreberi) were used. The practical part of this dissertation thesis contains of five different studies. Research started by development of methodology of sampling and analysis of pine needles (Study n.1). Temporal fluctuations of selected SVOC groups in needles and critical judgement of uncertainties by comparing with active air sampler and polyurethane foam passive air sampler were the focus of Study n.2. Studies n.3 and n.4 were focused on sampling needles in high mountain habitats and ski areas in Slovakia and Norway. We developed the standard operating procedure of analysis and sampling of a new type of bioindicator – Pinus mugo. In the final study (Study n.5) the subject is sampling of the moss Pleurozium schreberi and analysis of PBDEs in heavily contaminated industrialized areas in Poland. The doctoral research clearly proved that pine needles and moss are suitable types of bioindicators for ambient air and brought many interesting results which are published in the presented articles.

Keywords

borové jehličí, mechy, perzistentní organické látky, biomonitoring, sezónní a časové trendy, environmentální znečištění, lyžařské areály, pine needles, moss, persistent organic pollutants, seasonal and temporal trends, environmental pollution, ski resorts

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 5. 5. 2017

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 1. 6. 2017
• Vedoucí: doc. RNDr. Pavel Čupr, Ph.D.
• Oponent: doc. RNDr. Zdeněk Šimek, CSc., prof. Ing. Josef Čáslavský, CSc., prof. RNDr. Karol Mičieta, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie (čtyřleté) / Chemie životního prostředí