Application of Optical Spectroscopy for the Analysis of Physiological Characteristics and Elemental Composition of Some Lichen Species

The main physiological and biochemical characteristics as well as the elemental composition of the lichens Xanthoria parietina (L.) Th. Fr., Parmelia sulcata Taylor, Hypogymnia physodes (L.) Nyl, and Hypogymnia tubulosa (Schaer.) Hav.) growing under conditions of insignificant anthropogenic load in one habitat were studied using different methods of optical spectroscopy analysis. The first three species are often used as indicators in the biomonitoring based on spectral analysis data. The content of chlorophylls a and b, total nitrogen (TN), phenolic compounds (TPC), antiradical activity (ARA) was determined by spectrophotometric method, and the phaeophytinization quotient (PQ) was calculated. The revealed values of physiological and biochemical parameters in all four species indicate the correspondence of their habitat to the background area. The physiological characteristics of the studied species are coordinated and interconnected to varying degrees. Twenty-two elements in lichen thalli were revealed using ICP-AES spectroscopy. These include macro- and microelements, as well as heavy metals and metalloids (HM). The maximum differences in metal content were found in X. parietina and H. tubulosa. Analysis of the mutual conjugation of the physiological, biochemical characteristics, elemental composition, and metal content made it possible to identify complex systems of correlations in each species. Differences in their structure may be associated with the specificity of the composition of secondary metabolites, which determine the features of adaptive reactions and the degree of tolerance of species. The implementation of a complex analysis of the physiological and biochemical characteristics as well as the elemental composition using various spectral methods is important for the development of the bioindication and ecological physiology of lichens.

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

2. C. Е. Жуpавлёва, Ле Тxи Бич Нгует, П. В. Бондаpенко, Э. М. Тpуxан. Биофизика, 62, № 4 (2017) 807-814

3. А. Ф. Мейсурова, А. А. Нотов, А. В. Пунгин. Журн. прикл. спектр., 84, № 6 (2017) 961-968 [A. F. Meysurova, A. A. Notov, A. V. Pungin. J. Appl. Spectr., 84, N 6 (2018) 1037-1043]

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

5. B. Balabanova, T. Stafilov, R. Sajn, K. Baeeva. Int. J. Environ. Res., 6, N 3 (2012) 779-792

6. A. Parzych, A. Zduńczyk, A. Astel. J. Elementol., 21, N 3 (2016) 781-795

7. M. Backor, S. Loppi. Biol. Plantarum, 53, N 2 (2009) 214-222

8. J. Piovar, M. Weidinger, M. Backor, M. Backorova, I. Lichtscheidl. Ecotoxicol. Environ. Saf., 145 (2017) 408-419

9. G. Laska, S. Kiercul, A. Piotrowska-Niczyporuk, M. Jacob, D. Pasco. Planta Med., 82, N 1 (2016) 262

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

11. A. Dzubaj, M. Backor, J. Tomko, E. Peli, Z. Tuba. Ecotoxicol. Environ. Saf., 70, N 2 (2007) 319-326

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

13. ГОСТ 17.4.4.02-2017. Межгосударственный стандарт. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа, Москва, Стандартинформ (2018) (введен в действие приказом Росстандарта от 17.04.2018 N 202-ст)

14. J. D. Barnes, L. Balaguer, E. Manrique, S. Elvira, A. W. Davison. Environ. Experim. Botany, 32, N 2 (1992) 85-100

15. О. Л. Воскресенская, Е. А. Алябышева, М. Г. Половникова. Большой практикум по биоэкологии, ч. 1, Йошкар-Ола, Мар. гос. ун-т (2006)

16. A. Khadhri, M. Mendili, M. E. M. Araújo, M. R. Seaward. Symbiosis, 79, N 1 (2019) 25-31

17. A. Y. Yashin. Russ. J. Gen. Chem., 78, N 12 (2008) 2566-2571

18. N. Aoussar, N. Rhallabi, R. A. Mhand, R. Manzali, M. Bouksaim, A. Douira, F. Mellouki. J. Saudi Soc. Agric. Sci., 19, N 1 (2020) 1-6

19. E. Ahmed, W. Elkhateeb, H. Taie, M. Rateb, W. Fayad. J. Appl. Pharm. Sci., 7, N 1 (2017) 98-103

20. 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)

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

22. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве (2006)

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

24. Л. Н. Анищенко, В. Н. Шапурко, Е. А. Сафранкова. Фундамент. исслед., 9 (2014) 1527-1531

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

26. Т. К. Головко, О. В. Дымова, Г. Н. Табаленкова, Т. Н. Пыстина. Теор. и прикл. экология, 4 (2015) 38-44

27. О. М. Храмченкова. Бюл. науки и практики, 3 (2017) 68-77

28. Ле Тхи Бич Нгует. Биофизические основы реакции лишайников на физико-химическое воздействие внешней среды, дис. … канд. физ.-мат. наук, Московский физико-технический институт, Долгопрудный (2017)

29. А. В. Пунгин. Геоэкологическая оценка состояния атмосферного воздуха города Калининграда методом лихеноиндикации, дис. … канд. геогр. наук, Калининград (2019)

30. B. Rankoviü, D. Rankoviü, D. Mariü. Microbiology, 79 (2010) 809-815

31. А. И. Щербакова. Вестн. Поволж. гос. технол. ун-та. Сер. Лес. Экология. Природопользование, 4 (40) (2018) 75-84

32. 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

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

34. T. H. Nash III, B. D. Ryan, P. Diederich, C. Gries, F. Bungartz. Lichen Flora of the Greater Sonoran Desert, 1-2, Tempe, Lichens Unlimited, Arizona State University (2002)

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

36. O. A. Kyslychenko, V. V. Protska, I. O. Zhuravel. Pharmacia, 66, N 4 (2019) 161-164

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

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

39. 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

40. 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

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

42. R. Kalinowska, M. Backor, B. Pawlik-Skowronska. Ecol. Indicators, 58 (2015) 132-138

43. M. K. Chettri, C. M. Cook, E. Vardaka, T. Sawidis, T. Lanaras. Environ. Exp. Botany, 39, N 1 (1998) 1-10

44. J. Garty, Y. Karary, J. Harel. Archiv. Environ. Cont. Toxic., 24, N 4 (1993) 455-460