Application of Optical Spectroscopy for the Analysis of Physiological Characteristics and Elemental Composition of the Lichen Genus Hypogymnia with a Different Degree of Anthropotolerance

The main physiological and biochemical characteristics and elemental composition of three lichens species of the genus Hypogymnia (Nyl.) Nyl. in one habitat were studied using the methods of spectroscopy. The model species by decreasing degree of anthropotolerance rate in the following order: Hypogymnia physodes (L.) Nyl.®H. tubulosa (Schaer.) Hav.®H. vittata (Ach.) Parrique. The contents of chlorophylls a and b, phenolic compounds, pheophytinization quotient and antiradical activity were determined by a spectrophotometric method. The antioxidant activity was determined by an amperometric method. The values of physiological and biochemical parameters for each of the three species correspond to the values for the background ecotopes. In species with low degree of anthropotolerance, the values of these parameters and the integrity of the system of correlation relationships between parameters are lower. Using the method of ICP-AES, 23 elements were found in the thalli of model species. Among them are macro- and microelements, heavy metals and metalloids. The maximum concentrations of most elements were found in H. vittata, while the minimum concentrations were found in H. physodes. The analysis of interaction between physiological and biochemical characteristics and the content of elements indicates the presence of a complex system of correlation relationships in each species. Differences in this system of relationships may be due to the specific composition of secondary metabolites, which determine the features of adaptive reactions. The use of various methods of optical spectroscopy allowed to evaluate not only the functional specificity of the studied species, but also its connection with the level of their anthropotolerance. Low resistance to anthropogenic influences is combined with lower coordination of physiological and biochemical characteristics and low integrity of the system of correlational relationships. In the most vulnerable species of H. vittata, minimal values of the main functional parameters, their lesser correlation with the elemental composition and higher concentrations of some toxic elements were found. For bioindication and ecological physiology of lichen, it is crucial to use a complex analysis of physiological and biochemical characteristics and elemental composition by application of various spectral methods.

1. A. F. Meysurova, A. A. Notov, A. V. Pungin, L. N. Skrypnik. J. Appl. Spectr., 87, N 5 (2020) 877-887.

2. A. F. Meysurova, A. A. Notov, A. V. Pungin, L. N. Skrypnik. J. Appl. Spectr., 88, N 5 (2021) 987-998.

3. Глобальная стратегия сохранения растений: 2011–2020, BGCI (2012)

4. Д. Е. Гимельбрант, Е. С. Кузнецова. Выявление и обследование биологически ценных лесов на Северо-Западе Европейской части России, 2 (2009) 93-138

5. S. Chakir, M. Jensen. Physiol. Plant., 105 (1999) 257

6. T. D. V. MacKenzie, T. M. MacDonald, L. A. Dubois, D. A. Campbell. Planta, 214, N 1 (2001) 57-66

7. T. D. V. MacKenzie, M. Król, N. P. A. Huner, D. A. Campbell. Can. J. Bot., 80 (2002) 255

8. Г. Н. Табаленкова, И. В. Далькэ, Т. К. Головко. Изв. Самарского науч. центра РАН, 18, № 2 (2016) 221-225

9. Т. К. Головко, И. В. Далькэ, О. В. Дымова, Р. В. Малышев, С. Н. Плюснина, Т. Н. Пыстина, Н. А. Семенова, Г. Н. Табаленкова, М. А. Шелякин. Изв. Коми науч. центра УрО РАН, 3 (2018) 23-33

10. М. А. Шелякин, И. Г. Захожий, И. В. Далькэ, О. В. Дымова, Р. В. Малышев, Т. К. Головко. Физиология растений, 68, № 6 (2021) 600-611

11. А. Ф. Мейсурова, А. А. Нотов. Полевой журнал биолога, 3, № 1 (2021) 64-73

12. А. Ф. Мейсурова, А. А. Нотов. Материалы междунар. науч. конф., посвящ. 95-летию со дня рождения чл.-корр. НАН Беларуси Е. А. Сидоровича, 9-10 марта, 2023 г., Минск, ИВЦ Минфина (2023) 78-81

13. A. F. Meysurova, A. A. Notov. J. Appl. Spectr., 83, N 5 (2016) 832-839.

14. Т. А. Трифонова, А. С. Салмин. Юг России: экология, развитие, 14, № 2 (2019) 150-163

15. А. К. Ежкин. Эпифитный лишайниковый покров темнохвойных лесов юга Сахалинской области в районах техногенного и природного загрязнения, автореф. дис. ... канд. биол. наук, Санкт-Петербург (2016)

16. Красная книга Вологодской области. Т. 2: Растения и грибы, Вологда, ВГПУ, Русь (2004)

17. Красная книга Калининградской области, Калининград, РГУ им. И. Канта (2010)

18. Красная книга Удмуртской Республики, Чебоксары, Перфектум (2012)

19. Красная книга Республики Марий Эл. Растения. Грибы, Йошкар-Ола, МарГУ (2013)

20. Красная книга Новгородской области, Санкт-Петербург, Дитон (2015)

21. Красная книга Нижегородской области. Т.2: Сосудистые растения, водоросли, лишайники, грибы, Калининград, РОСТ-ДОАФК (2017)

22. Красная книга Республики Коми, Сыктывкар, Ин-т биологии Коми НЦ УрО РАН (2019)

23. А. Ф. Мейсурова, А. А. Нотов. Сб. материалов XVI междунар. науч. экологической конф., посвящ. памяти А. В. Присного, 24-26 ноября 2020 г., Белгород, ИД “Белгород”, НИУ “БелГУ” (2020) 224-227

24. A. F. Meysurova, A. A. Notov, A. V. Pungin. J. Appl. Spectr., 84, N 6 (2018) 1037-1043.

25. ПНДФ 16.1:2.3:3.11-98. Количественный химический анализ почв. Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, Москва, Государственный комитет РФ по охране окружающей среды (2005)

26. A. Demirbas. Energy Sour., 26, N 5 (2004) 499-506

27. T. Hirayama, F. Fujikawa, I. Yosioka, I. Kitagawa. Chem. Pharm. Bull., 23, N 3 (1975) 695-693

28. T. Hirayama, F. Fujikawa, I. Yosioka, I. Kitagawa. Chem. Pharm. Bull., 24, N 7 (1976) 1608 -1602

29. M. Kosanic, B. Rankovic, J. Vukojevic. J. Food Sci. Technol.-Mysore, 48, N 5 (2011) 584-590

30. I. Stojanović, M. Stanković, O. Jovanović, G. Petrović, A. Šmelcerović, G. Stojanović. Nat. Prod. Commun., 8, N 1 (2013) 109-112

31. B. Rankovic, M. Kosanic, N. Manojlovic, A. Rancic, T. Stanojkovic. Med. Chem. Res., 23, N 1 (2014) 408-416

32. G. Stojanovic, I. Zlatanovic, I. Zrnzevic, M. Stankovic, V. S. Jovanovic, B. Zlatkovic. Natur. Product Res., 32, N 22 (2018) 2735-2739

33. T. H. Nash III. Lichen Biology, Cambridge, Cambridge University Press (2008) 234-251

34. M. Goga, J. Elečko, M. Marcinčinová, D. Ručová, M. Bačkorová, M. Bačkor. In: Co-Evolution of Secondary Metabolites, Eds. J. M. Mérillon, K. Ramawat, Springer, Cham (2020) 175-209

35. S. T. Behmer, S. J. Simpson, D. Raubenheimer. Ecology, 83 (2002) 2489-2501

36. I. Bil’ova, M. Goga, M. Backor. Botanica Serb., 43, N 2 (2019) 133-142

37. R. Hamutoolu, M. K. Derici, E. S. Aras, A. Aslan, D. Cansaran-Duman. Appl. Ecology and Environ. Res., 18, N 2 (2020) 2315-2338

38. J. R. Exposito, E. Barreno, M. Catala. In: Lead in Plants and the Environment, Eds. D. K. Gupta, S. Chatterjee, C. Walther, Springer, Cham (2020) 149-170

39. D. Cansaran-Duman, D. Cetin, H. Simsek, N. Coplu. Asian J. Chem., 22, N 8 (2010) 6125-6132

40. K. Molnar, E. Farkas. Annales Botanici Fennici, 48, N 6 (2018) 473-482

41. D. Olivier-Jimenez, M. Chollet-Krugler, D. Rondeau, M. A. Beniddir, S. Ferron, T. Delhaye, P. M. Allard, J. L. Wolfender, H. J. M. Sipman, R. Lucking, J. Boustie, P. Le Pogam. Scientific Data, 6 (2019) 294

42. T. Goward, B. McCune, D. Meidinger. The Lichens of British Columbia: Illustrated Keys. Foliose and Squamulose Species, Victoria, B.C., Ministry of Forests (1994)

43. T. Mitrovic, S. Stamenkovic, V. Cvetkovic, I. Radojevic, M. Z. Mladenovic, M. Stankovic, M. D. Topuzovic, I. D. Radojevic, O. D. Stefanovic, S. M. Vasic, L. R. Comic, D. S. Seklic, A. D. Obradovic, S. D. Markovic. Oxidation Commun., 38, N 4, SI (2015) 2016-2032

44. A. F. Meysurova, A. A. Notov. J. Appl. Spectr., 87, N 1 (2020) 83-91.

45. М. Ю. Кропачева, Ю. С. Восель, К. А. Мезина, Д. К. Белянин, М. С. Мельгунов, И. В. Макарова. Изв. Томского политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов, 333, № 9 (2022) 146-156

46. J. Garty, Y. Karary, J. Harel. Archiv. Environ. Contamin. Toxicol., 24, N 4 (1993) 1455-1460

47. Л. А. Филатова, М. Г. Кусакина, И. Н. Якушева. Вестн. Пермского ун-та, 9, № 25 (2008) 11-14

48. J. Kovacik, S. Dresler, P. Babula, J. Hladky, I. Sowa. Plant Physiol. Biochem., 156 (2020) 599 -591