Polycyklické aromatické uhlovodíky v ovzduší a jejich vliv na rostliny

Vzhledem k velmi rychlé urbanizaci a průmyslovému rozvoje v posledních několika letech došlo k vážnému zhoršení kvality ovzduší a prostředí v celé řadě zemí. I přes řadu realizovaných opatření v minulých letech produkují jednotlivé typy zdrojů takové množství emisí, které je v kombinaci s meteorologickými a rozptylovými podmínkami příčinou překračování imisních limitů některých škodlivých látek. Míra znečištění ovzduší je objektivně zjišťována pomocí sítě měřicích stanic, které monitorují koncentrace znečišťujících látek venkovního ovzduší (imise) v přízemní vrstvě atmosféry.

Dopady znečištění ovzduší

Znečištěné ovzduší má prokazatelně nepříznivé účinky na lidské zdraví. Znečišťující látky mohou způsobit širokou škálu zdravotních problémů od méně závažných až po vážná onemocnění a zvyšují zátěž imunitního systému, což může vést k předčasné úmrtnosti. To vyvolává také značné ekonomické dopady, protože rostou náklady na zdravotní péči a snižuje se produktivita ve všech hospodářských odvětvích kvůli zvýšení pracovní neschopnosti.

Znečišťující látky nepříznivě působí i na vegetaci, mohou ovlivnit její růst a způsobit snížení výnosů zemědělských plodin a lesů. Jsou i příčinou eutrofizace a acidifikace půdních a vodních ekosystémů a následné změny druhové skladby a úbytku rostlinných a živočišných druhů. Řada znečišťujících látek má schopnost se v prostředí kumulovat, negativně ovlivňovat ekosystémy a přecházet do potravního řetězce.

Znečišťující látky jsou přenášeny v atmosféře a mohou tak ovlivňovat kvalitu ovzduší jak v nejbližším okolí samotného zdroje znečištění, tak ve vzdálenějších oblastech. Dále mají některé z nich přímý nebo nepřímý vliv na klimatický systém Země. V současnosti představují ze sledovaných znečišťujících látek největší problém suspendované částice a na ně vázané polycyklické aromatické uhlovodíky. V jarním a letním období jsou na řadě lokalit překračovány imisní limity přízemního ozonu. Konkrétní podíl jednotlivých zdrojů na znečištění venkovního ovzduší je však v různých oblastech odlišný, záleží na skladbě zdrojů v dané lokalitě, ale také na přenosu škodlivin z jiných oblastí.

Znečišťující látky, které jsou sledovány a hodnoceny vzhledem k prokazatelně škodlivým účinkům na zdraví populace nebo na vegetaci a ekosystémy, mají stanoveny imisní limity. Při hodnocení kvality ovzduší jsou především porovnávány zjištěné úrovně koncentrací s příslušnými imisními limity, případně s přípustnými četnostmi překročení těchto limitů, což jsou úrovně koncentrací, které by podle platné legislativy neměly být překračovány.

Čtěte také: Zdroje a dopady PAU

Imisní limity

Přehled imisních limitů (IL) vyhlášených pro ochranu zdraví lidí a povolený počet překročení limitní hodnoty, horních a dolních mezí pro posuzování podle zákona č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší, v platném znění, a vyhlášky č. 350:

V roce 2020 vstoupil v souvislosti s právními předpisy EU v platnost přísnější imisní limit 20 µg∙m‑3 pro roční průměrnou koncentraci PM2,5. Hodnoty imisních limitů vycházejí z doporučených hodnot Světové zdravotnické organizace (WHO), kterou byly určeny na základě řady epidemiologických studií.

Biomonitoring a mechy

Biomonitoring je technika využívající organismy k získávání informací o některých specifických vlastnostech biosféry. Mechy jsou velmi často využívanou skupinou organismů k monitoringu znečištění ovzduší. Mechy představují skupinu organismů pokrývajících 23 tisíc druhů všech rostlin světa.

V následující studii byla analyzována absorpční kapacita šesti různých druhů mechů, které se běžně používají pro monitoring stupně znečištění prostředí. Šlo jmenovitě o druhy Homalothecium sericeum, Thuidium tamariscinum, Eurhynchium striatulum, Eurhynchium striatum, Hypnum cupressiforme a Pleurozium schreberi. Všechny vybrané druhy patří do skupiny mechů vytvářející kobercový pokryv, díky větší povrchové ploše jsou i častěji využívány v podobných studiích.

Vzorky mechů byly odebrány v červenci 2006 z různých oblastí podél jedné z nejfrekventovanějších pobřežních dálnic v Turecku (dálnice Sarp-Samsun). Analýza byla provedena v červnu roku 2007.

Čtěte také: Vše o PAU v ovzduší

Výsledky ukázaly, že nejvyšší absorpční kapacitu zaznamenaly se sestupným trendem tyto druhy E. striatum > H. cupressiforme > P. schreberi > E.striatulum > T. tamariscinum > H. Bylo potvrzeno, že kapacita absorpce byla v pozitivní korelaci s velikostí listové plochy. Největší listová plocha byla potvrzena u E. striatum, kdežto nejmenší plocha byla zaznamenána u T.

Biomonitoring je velice účinným způsobem vzorkování ovzduší, ke kterému jsou ve velké míře využívány rostlinné indikátory. Představuje finančně nenáročnou a nejlépe dostupnou metodu i v hůř dostupných a vzdálených místech a je vhodným nástrojem odhadu úrovně kontaminace atmosféry.

Jehličí jako pasivní vzorkovač nese na svém povrchu voskovou vrstvu, která je vysoce lipofilní (schopná vázat látky rozpustné v tucích). Na rozdíl od listí opadajícího každý podzim má delší životnost, jehličnany jsou rostliny vždy zelené, a proto efektivně hromadí persistentní organické polutanty (látky vykazující toxické vlastnosti schopné setrvávat v životním prostředí po dlouhou dobu a akumulovat se v živých organismech) během dlouhých časových období. Předmětem laboratorních analýz jsou pak látky širokého spektra.

Jehličí se používá konkrétně k hodnocení kontaminace polycyklickými aromatickými uhlovodíky (PAHs), polychlorovanými bifenyly (PCBs), organochlorovými pesticidy (OCPs), polybromovanými difenylethery (PBDEs), polychlorovaných dibenzo-p-dioxiny a dibenzofurany (PCDDs/Fs), perfluorovanými látkami (PFCs) a těžkými kovy (např. olovo, arsen, rtuť, měď, zinek apod.).

Jehličnany jsou matricí, která je schopna indikovat také genotoxicitu prostředí pomocí pylových zrn zrajících v květnu až červenci), samčí šišky vidíte na obrázku vpravo dole. Samotný proces vzorkování probíhá v případě dlouhodobých studií v pravidelných měsíčních intervalech po 28 dnech. V případě jednorázového odběru je potřeba myslet na typ látek, které jsou předmětem laboratorní analýzy.

Čtěte také: Dopady PAU

Jehličnaté stromy jsou popisované jako vždy zelené a vzácněji opadavé. Jehličí má životnost déle než jednu vegetační sezónu a je druhově specifické. Matricemi vhodnými ke vzorkování v našich zeměpisných šířkách jsou jehlice borovice, neboť jsou delší a lépe se s nimi pracuje. Běžně vyskytující se druhy: Borovice disponují rovněž brachyblasty, což jsou malé krátké výhonky, které dosahují velikosti jen několik milimetrů a umožňují udržení jehlic na větvích. Jako vzorkovací matrice jsou důležité, protože jejich schopnost sorpce organických látek je taktéž vysoká.

Jak poznat věk jehličí? Jedná se o jednoduchou věc, protože každý ročník jehličí je oddělen na větvi novým přeslenem. U mohutného stromu je nejjednodušší najít nejmenší větvičku a postupovat k větším. Před začátkem vzorkování je potřebné zvolit si věk jehličí, který bude cílem odběru. Nejvhodnější je věk jehlic v půlce jejich životnosti (přibližně 2.-3. ročník), jelikož jehličí je již fyziologicky vyvinuté a na straně druhé má stále schopnost sorpce cílových analytů, která klesá na konci životnosti.

Zelené jehličí se sbírá v jednorázových rukavicích odtrhnutím, aby se zabezpečil odběr jehličí i s brachyblasty. Je potřebné realizovat sběr jehlic - ze všech světových stran a různých výšek stromu (max. 1,5-2 m - naší dýchací zóny), aby se získal reprezentativní směsný vzorek.

Pro monitoring benzo[a]pyrenu se běžně využívají aktivní vzorkovače ovzduší, které vyžadují k obsluze odborný personál, je nutné k nim dovést elektrickou energii, jejich pořizovací a provozní náklady šplhají do řádů tisíců a navíc mohou se stát terčem pozornosti nenechavců z řad obyvatelstva.

Z pohledu městské lokality jsou nejvýznamnějšími kontaminanty polycyklické aromatické uhlovodíky (PAHs), jež zahrnují širokou škálu sloučenin tvořených dvěma a více kondenzovanými jádry v molekule. Velikost molekuly je pak určující vzhledem k distribuci těchto látek mezi plynnou a pevnou fázi ovzduší. Přirozenými zdroji PAHs jsou zejména lesní požáry a sopečné erupce. Významným zdrojem je však lidská činnost. PAHs vznikají jako vedlejší produkty při nedokonalém spalování, pyrolýzou organických sloučenin, při spalování fosilních paliv a zpracování ropy. Jako jejich zdroj v městské aglomeraci se tak nabízí i emise z motorových vozidel, domácí lokální topeniště a spalování odpadů.

K hlavním problémům zajištění kvality ovzduší patří znečištění benzo[a]pyrenem, který často překračuje imisní limity (dle Zákona č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší Příl.

Vliv znečištění ovzduší na rostliny

Znečištění ovzduší představuje jeden z významných environmentálních stresorů, které ovlivňuje vitalitu rostlin. Podle Kozioła a Whatleye (1984) bylo poprvé imisní poškození rostlin popsáno Evelynem roku 1661, avšak první výzkum na rostlinách uskutečnil roku 1871 Stockhardt. Ten se zaměřil na studium vlivu kouře na porosty smrku a jedle v Německu. Ve 20. století byla pozornost zaměřena především na vliv polutantů na fyziologické a ultrastrukturální změny rostlinné buňky (Heumann 2002; Veliková a kol.

Znečišťující látky v ovzduší lze dělit na primárně emitované a sekundárně vznikající v důsledku těchto emisí. Mezi první skupinu patří zejména polutanty emitované v plynné fázi - oxidy dusíku (NOx), oxid siřičitý (SO2), těkavé organické sloučeniny (VOC) a prachové částice (PM), které mohou na svém povrchu obsahovat další látky jako polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) a toxické kovy.

Uvedené látky působí na rostliny buď v rámci akutní expozice, která se vyznačuje působením toxických látek v krátkém časovém úseku, nebo vlivem chronického působení. Toto působení se vyznačuje dlouhodobým působením spíše nízkých koncentrací polutantů.

Podle Rai et al. (2011) má akutní poškození polutanty jasně patrné symptomy, které zahrnují nekrotické a chlorotické skvrny na listech, které se nachází na okraji listové čepele nebo jsou v mezi listovou žilnatinou. Oproti patogenním organismům jsou spíše barvy červené, hnědé nebo černé. Příznaky poškození rostlin se mohou projevit jako latentní poškození, které souvisí se změnou fyzikálních pochodů. Jedná se především o změny na úrovní fotosystémů rostlin, transportu elektronů a výměnu plynů.

Např. podle Räsänen et al. (2017) znečišťující látky typu CO, SO2, NOx a O3 reagují s povrchem listů a do rostlinných pletiv pronikají přes průduchovou štěrbinu a odtud se dostávají do intracelulárních prostor, kde následně mohou narušit otevírání a uzavírání průduchů, transpiraci a výměnu plynů, jak dokládají Rai et al., (2011), tím dochází k narušení uhlíkového metabolismu.

Hlavní místo interakce mezi rostlinami a znečišťujícími látkami se nachází na rozhraní list-vzduch. Přes průduchy mohou hlavní antropogenní polutanty, jako je CO2, SO2, O3, stejně jako H2S a NOx vstupovat a difundovat do intracelulárního prostoru rostliny. Rostliny mohou omezit vstup škodlivin regulujících výměnu plynů uzavřením průduchů, ale tím také dochází ke snížení absorpce CO2 s negativním vlivem na fixaci uhlíku a fotosyntézu. Nízká absorpce CO2 a snížení tvorby chlorofylu negativně ovlivňují centrální metabolismus rostlin, což má za následek snížení biosyntézy cukrů a aminokyselin. Zároveň se tvoří reaktivní formy kyslíku (ROS), které souvisí se vznikajícím oxidativním stresem, ale také s obrannou reakcí rostlin (Ainsworth et al. 2012; Yendrek a kol.

Dále se jedná o akutní poškození, které se vyznačuje destrukcí pletiv, zasycháním okrajů listů, žloutnutím mezi žilnatinou, usycháním, vybělením, opadem až smrtí jedince (Bagard et al. 2008; Couture et al. V případě chronického působení rostliny na polutanty reagují také žloutnutím pletiv, opadem listů, změnami na úrovni biochemické a fyziologické, chřadnutím a odumřením jedince (Muneer et al.

Prachové (tuhé) částice jsou obvykle ve spojení s vnějším povrchem rostlin, kdy významnou roli především hrají fyzikální a morfologické vlastnosti listu. Jedná se zejména o jeho tvar, velikost, počet průduchů, kutikula a trichomy. Z výsledků např. Chen et al., (2017) vyplývá, že jehlice akumulují více prachových částic o velikosti 2,5 ?m než listy široké. V případě povrchové kontaminace dochází ke změnám odrazivosti světla a jeho absorpce listy, čímž se omezuje uhlíkový metabolismus. Terzaghi et al.

Oxid siřičitý je rostlinou přijímán přes průduchy a je transportován apoplastem. V rostlinných pletivech je hydratován a oxidován na siřičitany a sírany, které následně při vysokých koncentracích inhibují fotosyntézu a energetický metabolismus rostlin. Podle Miszalski a Mydlarz (1990) je toto způsobeno také tím, že dochází k poškození fotosystémů, ztrátou chlorofylů, čímž se snižuje absorpce slunečního záření a v konečném důsledku se nížení tvorba biomasy. Např. u rostlin rajčete byl prokázáno snížení rychlosti fotosyntézy v důsledku působení vysokých koncentrací oxidu siřičitého. Mezi vizuální příznaky patří chloróza mezi listovou žilnatinou a nekróza, která se projevuje především u širokolistých rostlin. U jehlic se objevují chlorotické skvrny a hnědnutí špiček (Rennenberg, 1984).

Vzhledem k tomu, že se uvnitř listů tvoří kyselina sírová, tak se na listech mohou objevovat také díry (Elliott-Kingston et al.

Při působení slunečního záření na atmosféru vznikají nejenom těkavé organické sloučeniny (VOC), ale také ozon a oxidy dusíku, kdy podle Muneer et al. (2014), z nichž více jak 90 % tvoří NO. Příjem oxidů dusíku je ovlivněn vodním filmem na povrchu listů a chemickým složením vosků a kutikuly (Wang et al., 2015; Burkhardt, 2010). Rostliny však rychleji absorbují plynný NO2 než NO, neboť NO2 rychle reaguje s vodou a NO je ve vodě prakticky nerozpustný. Fytotoxicita NO2 se projevuje velkými, nepravidelnými hnědými nebo černými skvrnami na listech. Avšak v porovnání s dalšími polutanty je relativně vzácná. Jako toxické koncentrace pro 10% snížení výnosu je pro citlivé rostliny 80 ?g.m?3 a pro vysoce odolné rostliny 150 ?g.m?3 ozonu.

Rostlina přijímá O3 přes průduchy a odtud je transportován apoplastem. V rámci apoplastu a plazmatické membrány reaguje s vodou a vytváří další reaktivní formy kyslíku. Tyto formy kyslíku, včetně vlastního ozonu mohou narušit integritu buněčné membrány a poškodit SH skupiny aminokyselin. Příznaky poškození ozonem jsou bílé, žluté nebo hnědé skvrny na listech. Vedle těchto vizuálních příznaků dochází podle Elliott-Kingston et al. (2014) ke snížení obsahu chlorofylů v listech a jejich následnou degradaci, poškození fotosystémů, které souvisí s rychlou peroxidací lipidů v membránách chloroplastů. V rámci uhlíkového metabolismu (fotosyntézy) dochází k degradaci RUBISCO, čímž se následně snižuje fixace CO2 a snižuje se tvorba biomasy, omezuje se transport produktů metabolismu do kořenů (Grantz et al. 2006). Dochází také k uzavírání průduchů. V případě akutní expozice ozonu dochází u fazolu obecného k tvorbě metanolu, produktům lipoxygenázové dráhy, VOC a methylsalicylátu (Li et al.

Vedle těchto negativních dopadů na rostliny se ozon a další reaktivní formy kyslíku (ROS) podílí na obraně rostlin vůči patogenům, v rámci hypersenzitivní reakce, což lze považovat za programovanou buněčnou smrt (Overmyer et al.

Rostliny tyto látky přijímají přes průduchy, viz. obr.3, a jsou často součástí jejich metabolismu. Jejich koncentrace v rostlinném těla se obvykle zvyšuje v rámci stresové reakce na abiotické stresory, jako je například sucho, vysoká teplota (Blande et al. 2014) a biotické stresory (Pareja a Pinto-Zevallos, 2016). Reakce rostliny na některé těkavé organické látky je shodná s reakcí na xenobiotika, což znamená jejich detoxikaci v rámci metabolismu xenobiotik. Tento metabolismus zahrnuje enzymatický rozklad pomocí oxidoreduktáz, popř. hydroláz. V případě polutantů se jedná o vzájemnou kombinaci SO2, H2S, NOx nebo O3, které ovlivňují primární i sekundární metabolismus rostlin. Podle (Khaling a kol. 2015; Papazian a kol. 2016) dochází ke změnám ve složení cukrů, polyaminů, fenylpropanoidů a fytohormonů.

Mezi základní projevy obranné reakce rostlin lze zařadit morfologické změny, které souvisí se změnami vegetativních a generativních orgánů, které jsou často doprovázeny změnami na buněčné úrovni. Změny často souvisí s degradací tylakoidů a destrukcí chlorofylů, což se projevuje chlorózami a nekrózami (Da Silva a kol. 2005). Další barierou pro vstup toxických látek je kutikula a epikutikulární vosk, jak je patrné z mikrofotografií z rastrovací elektronové mikroskopie - obr.

V případě pevných částic hraje významnou roli v obranných mechanismech rostlin především anatomicko-morfologické charakteristiky listové čepele, jak je uvedeno na obr. 5. Podle Zhang et al. (2017) jsou významné rozdíly v přijmu pevných částic a jejich transportu dále do rostliny v rámci listnáčů a jehličnanů. Uvedení autoři konstatují, že povrch listů koreluje s ukládáním PM do listů, kdežto v případě jehlic má významnou pozitivní korelaci kutikula, epikutikulární vosk a hustota průduchů (S?b?. Rostliny se brání příjmu SO2 tím, že uzavírají průduchy, aby tím zabránily jeho transportu do buněčných kompartmentů, což však v konečném důsledku snižuje rychlost fotosyntézy. Na straně druhé může docházet v buňkách k hromadění rozpustných cukrů.

Např. u borovice Banksovy (Pinus banksiana L.) se po expozici 0,34-0,51 ppm SO2 zvýšila koncentraci několika aminokyselin a posunula poměr v celkovém množství redukujících a neredukujících cukrů, což je patrně způsobeno aktivní přeměnou polysacharidů na monosacharidy (Malhotra a Sarkar 1979). Tausz et al. Podle Di Carlo et al. (2004) se rostliny brání zvýšené hladině ozonu v atmosféře na základě chemických reakcemi s rostlinnými monoterpeny. Jud et al. (2016) dále uvádějí, že polotěkavé organické sloučeniny (např.

Z výsledků Souza et al. (2013) vyplývá, že v případě vzájemné kombinace NOx a O3 u rostlin fazolu měsíčního dochází k tomu, že samotná expozice O3 vyvolala mnohem silnější reakci než od NO. Na základě těchto výsledků je možné konstatovat, že expozice NO může zvýšit odolnost rostlin vůči O3. Vuorinen a kol. (2005) studovali vliv dvojnásobné koncentrace CO2, O3 a jejich vzájemnou kombinaci na emise VOC břízy bělokoré. Z jejich výsledků je patrné, že CO2 snižuje emisi VOC.

tags: #polycyklicke #aromaticke #uhlovodiky #v #ovzdusi #vliv

Oblíbené příspěvky:

• Nakládání s odpady v Kryblici
• Závěsný chromový koš – recenze
• Dopady klimatické změny na Česko
• Změny klimatu v České republice
• Dopady světelného znečištění v Polsku