"Состояние вопроса" - Изучение загрязнения воздуха в микрорайоне школы по состоянию сосны обыкновенной

Бурный рост промышленности и автотранспорта ведет к значительному загрязнению природной среды, в первую очередь атмосферы. Так как эволюция растительности совершалась в условиях достаточно чистого атмосферного воздуха, современные виды растений, в том числе хвойные, не обладают специфической приспособленностью к действию токсичных газов. Вредное влияние загрязненного воздуха на растения происходит как путем прямого действия газов на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного влияния через почву. Причем прямое действие кислых газов приводит к отмиранию отдельных органов растений, ухудшению их роста и урожайности. Трудно дать полную характеристику всех вредных примесей, так как их количество и удельный вес в загрязненном воздухе быстро изменяются, в результате взаимодействия веществ образуются новые соединения, нередко даже более токсичные, чем исходные компоненты (Николаевский, 1979).

Вещества, выбрасываемые в атмосферу, по величине частиц, электромагнитному спектру и скорости оседания в воздухе под влиянием силы тяжести можно условно разделить на пыль (диаметр частиц от 0,5 до 2000 мкм, спектр в инфракрасной области от 420 до 0,7 мкм, скорость оседания близка или соответствует закону Стокса); пары и туманы (диаметр частиц от 0,03 до 100 мкм, спектр в видимой области, скорость оседания меньше, чем у пыли); дым (размер частиц от 0,01 до 1 мкм, спектр в ультрафиолетовой области, скорость движения частиц в результате броуновского движения превышает скорость оседания). В состав пыли могут входить литейный песок, удобрения, пылевидный уголь, цемент, летучая зола, частицы почвы. Кроме того, она содержит разнообразные соединения, образующиеся при переработке и сжигании сырья как кислого, так и щелочного характера, а также различные соли, сажу и т. п. В составе паров и туманов возможны различные испарения: туман кислот, пары окислов цинка, хлористого аммония, сернистого газа и т. д. В состав дыма входит нефтяной, смоляной, углеродный дым и газы (Николаевский, 1979). По химическому составу (с учетом токсического действия на растения) вещества можно разделить на: кислые газы, обладающие наибольшей токсичностью для растений (фтор, хлор, сернистый и серный газы, оксиды азота, угарный газ, оксиды фосфора, сероводород); пары кислот (соляной, азотной, хлорной, фосфорной, серной и органических, туман серной и соляной кислот); оксиды металлов (свинца, мышьяка, селена, цинка, магния и других); щелочные газы (аммиак); пары металлов (ртуть); различные органические газы и канцерогенные вещества (предельные и непредельные углеводороды, фенол, четыреххлористый углерод, сероуглерод и др.).

Характер действия различных кислых газов и паров кислот, по-видимому, сходен и заключается в нарушении физиолого-биохимических процессов в результате подкисления протоплазмы клетки. Последнее ведет к прекращению фотосинтеза, усилению деятельности окислительных процессов. Пары кислот часто вызывают появление ожогов на поверхности листьев. Аммиак, как и кислые газы, проникает в мезофилл, и повреждающее действие его связано, вероятно, с подщелачиванием клеточной среды и нарушением транспорта электронов. Значительной фитотоксичностью обладают канцерогенные вещества, но характер их действия на растения изучен слабо. Пыль нарушает температурный и водный режим растений, поглощение световой энергии и газообмен. Кроме того, растворимые соединения в составе пыли зачастую проникают в клетки вместе с влагой и вызывают нарушения, сходные с действием газов или солей. Воздушная среда вокруг многих промышленных предприятий, в том числе алюминиевых заводов, характеризуется наличием комплекса загрязнителей, действующих одновременно. В таких условиях можно ожидать изменения фитотоксической активности выбросов в сторону ее усиления или ослабления. Обычно выделяют четыре типа воздействия смесей токсикантов: суммацию (аддитивный эффект), синергизм, доминирование и антагонизм (Рожков, Михайлова, 1989). Суммацией называют те случаи, когда величина повреждения от смеси токсикантов соответствует сумме повреждений, вызываемых каждым веществом в отдельности; при синергизме конечное повреждение больше, чем сумма отдельных повреждений; при антагонизме растение получает меньшее повреждение от всех веществ, чем от каждого в отдельности. Доминирование какого-либо токсиканта проявляется в том, что при воздействии смеси, его содержащей, величина повреждения остается такой же, как и при одиночном влиянии этого токсиканта. Проявление того или иного типа воздействия смеси токсикантов на растительный организм во многом зависит от их концентрации, продолжительности и порядка действия, а также от физико-географических условий. Синергизм чаще наблюдается при действии смесей токсикантов высоких концентраций. При низком содержании в атмосфере кислых газов возможны эффекты суммации или доминирования. Комбинации загрязнителей, приводящие к ослаблению их повреждающего действия, крайне редки, например, в случае одновременного присутствия в атмосфере кислых и щелочных газов, окислителей и восстановителей. Все вышеизложенное подтверждает необходимость развития методов, позволяющих адекватно оценивать степень повреждения растений всем комплексом токсических веществ.

Предприятия черной и цветной металлургии, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и химической промышленности, теплоэлектростанции, автотранспорт относятся к основным источникам выбросов кислых газов в атмосферу. Среди последних двуокись серы, сероводород, окислы азота, хлор, фтористый водород выделяются как наиболее сильные токсиканты для растительных организмов. При воздействии различных доз токсикантов на растения можно выделить четыре типа повреждений, отличающихся по характеру и глубине расстройства метаболизма: острое, капельно-ожоговое, кумулятивное и скрытое. Острые повреждения вызываются воздействием высоких концентраций загрязнителей. Поражение развивается в течение нескольких часов (дней) и проявляется в виде хлороза с последующим некрозом тканей хвои или всего побега. У лиственницы пораженная хвоя быстро высыхает и опадает. Восстановление ее происходит за счет пробуждения почек будущего года на брахибластах. Зачатки хвои будущего года у этой породы развиваются на конусе нарастания брахибласта одновременно с хвоей текущего года, и в случае утраты последней вторичная хвоя отрастает в то же лето. У ели при остром поражении хвоя опадает также относительно быстро, тогда как у сосны сохраняется на ветвях в течение длительного времени. В том случае, когда при повреждении хвои двухлетние побеги сосны сохраняют жизнеспособность, в их вершинной части из спящих почек развиваются плотно сидящие группы коротких ауксибластов. Хвоя на них имеет вид обособленных пучков (Рожков, Михайлова, 1989). Кислый газ, поступая в клетку через устьица или кутикулу, в значительных количествах накапливается в хлоропластах и приводит к подавлению фотосинтеза. Капельно-ожоговые повреждения в отличие от острого поражения, охватывающего всю хвоинку и возникающего по всей кроне или большей ее части, проявляются в виде некрозных точек и более крупных пятен, перепоясывающих хвоинку и постепенно расширяющихся и чаще всего образуются при высокой влажности воздуха (Рожков, Михайлова, 1989). В подавляющем большинстве случаев на упругих хвоинках с сильно развитой кутикулой послеожоговый некроз начинается в апикальной части, затем распространяется к основанию. Кумулятивное повреждение развивается при длительном действии низких концентраций токсикантов. Для этого типа повреждений характерно стойкое нарушение основных метаболических процессов, внешне выражающееся в уменьшении размеров и массы хвои, преждевременном их опадении, изреженности и суховершинности крон деревьев, депрессии роста, раннем старении. Кумулятивное повреждение со временем приводит к избыточному накоплению токсикантов в ассимиляционных органах и появлению некрозов. Вышеперечисленные типы повреждений определяются визуально или с помощью морфометрического анализа. Скрытые повреждения вызываются очень низкими концентрациями токсикантов, действующими постоянно или периодически. К таким повреждениям относятся нарушения физиолого - биохимических процессов (увеличение проницаемости мембран, изменение активности ряда ферментов, ингибирование фотосинтеза и т. д.). Накопление скрытых повреждений приводит к снижению роста и продуктивности растений, потере резистентности к климатическим факторам, патогенным микроорганизмам и насекомым. Латентные повреждения обратимы, они не ведут к стойкому расстройству метаболизма, и после прекращения действия загрязнителя нормальная жизнедеятельность растений восстанавливается. Основной путь поступления загрязняющих веществ в растение - поглощение их в процессе газообмена через устьица, а также через клетки эпидермиса листьев и неодревесневших побегов. Поглощенные токсиканты растворяются в пленочной воде на поверхности листьев, и образующиеся ионы проникают через кутикулу к клеткам эпидермиса. Далее они мигрируют по свободному пространству к соседним клеткам мезофилла и проводящим сосудам, по которым разносятся в другие клетки и органы. При проникновении токсического вещества в клетку защитная реакция направлена прежде всего, на его детоксикацию или изолирование. Наиболее распространенными механизмами детоксикации являются нейтрализация посредством синтеза ионов противоположного знака, вовлечение в реакции с участием ферментов, образование коньюгатов. Другой путь уменьшения вредного влияния токсического вещества - выведение его из организма во внешнюю среду, например, путем десорбции листьями, вымывания осадками, выделения корнями, а также при дефолиации и с транспирационной водой. Кроме того, существует возможность снижения активности токсикантов путем их консервации в мертвых или слабо функционирующих тканях.

Более низкая устойчивость хвойных к кислым токсикантам по сравнению с лиственными породами в наибольшей степени выражена по отношению к фтору. Фитотоксичность его определяется сочетанием ожогового воздействия с отравлением в результате накопления в органах и тканях. Повышенная чувствительность хвойных к фтористому водороду связана с длительным сроком жизни хвои и поглощения газа, вследствие чего развивается обширное повреждение кроны, сокращается ассимиляционная поверхность. Кроме того, высокая чувствительность зимне-зеленых хвойных определяется относительно слабым развитием запасающих тканей и соответственно недостаточным накоплением резервных веществ, а также невысокой регенеративной способностью. Из числа признаков повреждения хвойных чаще всего отмечаются, сокращение продолжительности жизни хвои, ее массы (опадение, ожог, уменьшение длины) и, как следствие, значительную изреженность крон, падение линейного и радиального прироста (Николаевский,1979). Под действием задымления сокращается плодоношение хвойных пород, уменьшается размер шишек и семян, резко снижается их всхожесть. Процесс ослабления, развития болезни и отмирания дерева протекает у разных видов хвойных по-разному. Лиственница раньше других реагирует на повреждающее действие фтора. Однако она быстро адаптируется, соответственно перестраивает метаболизм и может оказывать длительное сопротивление даже сильному воздействию токсиканта. У ели позднее, чем у других хвойных, появляются внешние признаки повреждения (хлороз и некроз хвои), медленнее происходит и физиологическое ослабление. В то же время эта порода характеризуется наименьшей продолжительностью периода от необратимого ослабления деревьев до их полного усыхания. У сосны степень внешнего повреждения соответствует физиологическому состоянию дерева, а период усыхания может быть продолжительным (Рожков, Михайлова, 1989).

Наибольшее количество фтора в хвое сосны накапливается в зимние месяцы. К началу вегетационного периода оно понижается и минимально в мае-июле, а к концу вегетации вновь возрастает (Рожков, Михайлова, 1989). Подобная динамика накопления фтора объясняется прежде всего, особенностями сезонных физиологических изменений в растении. На фоне прекращения ростовых процессов и относительной стабилизации содержания сухого вещества хвои в зимний период сохраняющийся (хотя и очень слабый) газообмен способствует накоплению в ней токсиканта. В весенние и летние месяцы при качественном изменении метаболизма происходит отток фтора из хвои с метаболитами в ткани ствола и корней, некоторая часть его выводится с транспирационной водой, а также вымывается дождями. Отрицательное действие фторидов на фотосинтетический аппарат растений связано с ингибированием ранних стадий синтеза пигментов, распадом хлорофилла и каратиноидов, а также с деструкцией хлоропластов. При воздействии малых концентраций фтора у лиственницы содержание хлорофилла чуть выше контроля (по-видимому, это следствие защитной реакции дерева на действие фактора, понижающего его фотосинтетическую активность). Заметное падение концентрации хлорофилла происходит при повреждении 10% кроны, а при дальнейшем увеличении количества некротизированной хвои у деревьев содержание пигментов в остальной хвое почти не изменяется и составляет около 75% от контроля. У сосны первоначальное действие фтористого водорода приводит к заметному увеличению количества зеленых пигментов. При повреждении 10% хвои уменьшение содержания хлорофилла было незначительным, и лишь у сильно поврежденных деревьев оставшаяся хвоя содержит пигментов на 30% меньше, чем в контроле. Первоначальной реакцией ели на действие фтороводорода является небольшое снижение содержания зеленых пигментов, а при последующем распространении повреждения в кроне оставшаяся хвоя по уровню пигментов практически не отличается от контрольной (Рожков, Михайлова, 1989).

Соединения серы, и в первую очередь сернистый газ, также отрицательно влияют на рост и продуктивность растений. Листопадная лиственница менее чувствительна, чем ель и сосна, что связано с большей продолжительностью воздействия газа на хвою последних. В условиях периодического задымления сернистым газом сосна погибает, поскольку хвоя полностью в течение нескольких лет отмирает. В условиях постоянного слабого задымления отмирание хвои сосны начинается при достижении содержания серы в 0,3-0,5% (в пересчете на сухой вес), тогда как лиственница не имеет никаких признаков повреждения при накоплении серы до 1%. Поступающий в листья в небольших количествах сернистый газ может окисляться до малотоксичных сульфатов, используемых растением как элемент питания. При этом содержание серы в листьях вечнозеленых растений может быть в 3-4 раза больше нормального. При повышенной концентрации сернистого ангидрида это превращение осуществляется лишь частично, вследствие чего неокисленный сернистый ангидрид оказывает губительное воздействие на клетки мезофилла. В связи с этим в пригородных и городских насаждениях происходит усыхание сосны и ели в результате неполного охвоения их крон. Последнее обусловлено сокращением продолжительности жизни хвои, причем у сосны вместо пяти лет хвоя живет всего 1-2 года, а у ели вместо семи лет - 1-3 года.

Механизм поступления двуокиси серы внутрь хвои сходен с таковым для фтора, т. е. с поверхности листа токсикант проникает в клетки мезофилла через устьица и кутикулу. Скорость поглощения двуокиси серы через устьица является одним из важных факторов чувствительности растений к загрязнению воздуха и зависит от интенсивности газообмена у растений. Некоторое количество двуокиси серы может проникать в хвою через кутикулу, путем растворения в липофильной фазе. Кроме того, токсические вещества могут проникать внутрь листа и через поврежденную кутикулу, т. к. кутикула хвои сосны, растущей в условиях значительного загрязнения воздуха, истончается. Количество серы в хвое сосен, растущих в условиях атмосферного загрязнения, в течение года неодинаково: максимум отмечен в марте-апреле, минимум в июле-августе. У хвои сосны в первую очередь повреждаются клетки, расположенные около устьиц или лежащие рядом с эпидермой и соприкасающиеся с межклеточным пространством. Затем повреждение распространяется на внутренний мезофилл. Проникающая в клетки двуокись серы вызывает устойчивое снижение активности фотосинтеза за счет ингибирования отдельных его звеньев, разрушением пигментов и превращением хлорофилла в феофитин.

Похожие статьи




"Состояние вопроса" - Изучение загрязнения воздуха в микрорайоне школы по состоянию сосны обыкновенной

Предыдущая | Следующая