Загрязняющие вещества атмосферного воздуха и их влияние на морфофизиологические показатели растений

1.2.4 Физическое загрязнение

К нему относятся необычная температура, неионизирующие и ионизирующие излучения, звук и ультразвук, вибрация, сила тяжести, давление и т.д. Растения каждого вида, как правило, исторически адаптированы к определенному режиму температурных изменений , в связи, с чем отклонения последних приводят патогенным последствиям. Наиболее значительный фитопатогенный эффект наблюдается при чрезмерном похолодании, потеплении или же при термических ожогах, например связанных с пожарами. В большинстве случаев нарушения температурного режима связаны с деятельностью производственных предприятий (Израэль с соавт., 21981).

Значительную роль приобретают электрический ток и электро-магнитные поля, оказывающие разностороннее воздействие на ростовые процессы и их ритмику (Тестемицану с соавт., 1980).

В целом физические загрязнители весьма разнообразны, причем активность и последствия их влияния на растительные организмы и их сообщества увеличиваются в результате человеческой деятельности.

1.2.5 Характеристика приоритетных загрязнителей воздуха

Программой мониторинговых наблюдений за составлением атмосферы на стационарных постах предусматривается измерение концентраций пыли, оксидов серы, азота, углерода, азота, диоксидов углерода, азота, озона, сажи, углеводородов, ртути, свинца, кадмия., а также специфических веществ (Перечни ПДК и ОБУВ, 1993; Доклад о свинцовом…, 1997).

Зола – твердая фракция выбросов, является одним из основных загрязняющих веществ выбросов угольных ТЭС. Она имеет частицы диаметром от 2 до 100 мкм (50% частиц – менее 30 мкм).

Фазово-минералогический анализ золы различных видов топлива показывает, что ее основная фаза - стекло, а кристаллическая представлена различными количествами кварца, гематита, магнезита, силиката кальция. Химический состав летучей золы определяет ее нейтральную или щелочную реакцию. Установлено, что в зависимости от высоты труб в среднем 30-60% выбрасываемой золы выпадает в зоне 12-15 км. Остальная ее часть рассеивается на больших расстояниях, плотность резко падает.

Пыль – обобщенное название аэрозолей твердых веществ (древесная, абразивная, цементная и др.). Вредное воздействие пыли на организм человека зависит от ее дисперсности формы частиц и их электрического заряда.

Оксид углерода (Со), угарный газ, - бесцветный газ без вкуса и запаха. Время жизни в атмосфере 2-4 месяца. Окисляется в атмосфере и почвенной микрофлорой до Со2. недавно появились доказательства, что Со выделяется растениями в самый ранний период их роста, а затем – поглощается ими. Таким образом, наконец удалось объяснить сезонные колебания Со в атмосфере. Считается, что более 80% глобальных выбросов Со связано с автотранспортом. На высшие растения в возможных концентрациях не действует. Для человека является ядом, который лишает ткани тела необходимого им кислорода.

Оксиды серы. В атмосфере присутствуют сернистый ангидрид SO2 (оксид серы (IV)), серный ангидрид SO3 (оксид серы (VI)). SO2 – негорючий тяжелый (плотность 2,93 кг/м3) бесцветный газ с характерным резким запахом, который ощущается при концентрациях от 0,78 до 2,6 мг/м3. в результате фотохимических и каталитических процессов сернистый ангидрид превращается в серный ангидрид SO3, который во влажном воздухе превращается в серную кислоту и ее соли. Время жизни SO2 в атмосферном воздухе около 10 часов.

Пороговая концентрация SO2, принимаемая в качестве максимально разовой концентрации для растений, составляет 0,02 мг/м3.

Оксиды азота. Наиболее распространенными загрязнителями воздуха являются оксид азота NO(II) и диоксид азота NO2 (IV).

Оксид азота NO – бесцветный тяжелый газ, кислородом воздуха окисляется до диоксида азота. Диоксид азота NO2 – газ коричнево - бурого цвета (плотность 1,49 кг/м3), который, реагируя с влагой воздуха, превращается в азотную и азотистую кислоты. Время жизни NO2 в атмосфере около 3 суток. NO2 обуславливает фотохимическое загрязнение атмосферы, поскольку реагирует с другими веществами: с диоксидом серы SO2, кислородом, углеводородами.

Диоксид азота в пять раз токсичнее оксида азота.

В атмосфере оксид и диоксид азота находятся в динамическом равновесии, превращаясь друг в друга в результате фотохимических реакций, в которых участвуют в качестве катализатора.

Их соотношение в воздухе зависит от интенсивности солнечного излучения, концентрации окислителей и др. факторов.

Пороговая концентрация NO2, принимая в качестве максимально разовой концентрации для растений, составляет 0,02 мг/м3.

Озон (O3) – бесцветный газ, образуется в результате работы электрических машин с искрящимися контактами, разрядов атмосферного электричества и вторичного загрязнения атмосферы под действием солнечной радиации с участием диоксида азота.

Озон токсичен для растений. Пороговое воздействие начинается при концентрации озона 0,06 мг/м3.

Бенз(а)пирен – относится к классу полициклических ароматических углеводородов. Кристаллы с температурой плавления +173ºС, плохо растворимые в воде.

Сажа – практически чистый углерод, образующийся при неполном сгорании топлива, усиливает действие диоксида серы.

Сероводород (H2S) – бесцветный тяжелый (плотность 1,54 кг/м3) ядовитый газ с резким запахом тухлых яиц. Активный восстановитель. Образуется в производстве сульфатной целлюлозы, а также при бактериальном гниении высокобелковых продуктов растительного и животного происхождения. Встречается в канализационных колодцах!

Свинец – поступает в атмосферу в основном в виде хлорбромидов и оксида свинца (II) с выхлопными газами автомобилей, присутствует в выбросах свинцовых заводов и др.

Ртуть – обладает повышенной возможностью распределения и биопереноса в окружающей среде.

1.3 Влияние загрязняющих веществ на морфофизиологические показатели растений

Хотя сохранение растительного покрова Земли без серьезных нарушений – безусловная необходимость, его состояние в настоящее время ухудшается (Проблемы фитогигиены…, 1981).

Основные причины этого – разнообразия и разнонаправленность патологических явлений, возникающих у растений и их сообществ.

Возникновение тех или иных патологических явлений не у одного или немногих растений одного вида, а у большего числа или же у всех растений – представителей одной популяции придает возникающим патологическим явлениям популяционное значение. Возникновение патологических явлений у многих или у большинства растений одного вида во всех или в большинстве популяций последнего придает им видовые значения, так как они способны изменить характеристики признаков, входящих в кодекс признаков вида.

Наиболее опасны для растительного мира патологические явления, нарушающие:

1.                 Строение и функционирование пигментов, пластид, отдельных звеньев фотосинтеза и фотосинтетического аппарата в целом.

2.                 Строение и функционирование аппарата газообмена и механизма его регуляции, торможение клеточного дыхания (Рудкова, 1981), уменьшение количества устьичных аппаратов (Сидорович, Гетко, 1979) и ослабление газообмена у растений на больших территориях (Назаров с соавт., 1977).

3.                 Строение и функционирование аппарата водного обмена и механизма его регуляции [увеличение количества прочно удерживаемой воды под влиянием магния (Шкляев, 1981), ослабление водного гомеостаза при заморозках и под влиянием загрязнителей в условиях засухи (Тарабарин, 1980), патологические изменения тургора и осмотических параметров и т.д.].

4.                 Строение и функционирование механизмов минерального обмена [изменение нормального количественного соотношения между элементами, сдвиги в обмене одних элементов под влиянием других, в частности (Рудкова, 1981) кальция, марганца и фосфора при избытке алюминия и т.д.].

5.                 Транспорт [ненормальная транслокация пластических соединений и продуктов метаболизма, изменение в связи с этим химического состава осевых органов, в частности, корней (Anderson, 1975) и т.д.].

6.                 Нормальную деятельность мерисистем [нарушение роста в высоту и роста в ширину (Fritts, 1975), по величине линейного прироста и т.д., и возникающие у растений, произрастающих на кислых почвах (Иванов, 1970), подвергнувшихся воздействию ионизирующего излучения, низких и высоких температур].

7.                 Нормальное осуществление клеточного цикла [изменение протяженности фаз клеточного цикла во времени и патология митоза под влиянием проникающего излучения (Алексахин, Нарышкин, 1974), при гиперауксинии и гипоауксинии, при избытке и недостатке макро и микроэлементов, в частности алюминия (Рудкова, 1981)].

8.                 Гистогенез и дифференциацию клеток и тканей [ксерофильные преобразования злаковых, возникающие под влиянием шлама алюминиевого завода (Половова, Шилова; 1969), в частности нитевидность листочков у Robina pseudacacia L. (Кондратюк с соавт., 1980), деформация побегов и листьев у Ulmus laevis Pall., Acer negundo L. и Betula pendula Roth. (Кулагин, 1974) и уменьшение длины шишек у Pinus sylvestris L. (Мамаев, Шкарлет, 1971) при загрязнении атмосферного воздуха].

10.            Межклеточные, межтканевые и межорганные взаимосвязи и взаимодействия [патологические изменения апикальной доминантности, ростовых корреляций, нормального соотношения массы надземных и подземных органов, в частности, у Robinia pseudacacia L., произрастающей на отвалах угольных шахт и обогатительных фабрик (Рева с соавт., 1974)].

11.            Ритмику процессов онтогенеза [ускорение фенофаз при загрязнении атмосферного воздуха (Рязанцева, Спахова, 1980) предотвращение образования плодов у Achillea millefolium L. при воздействии дымогазовых выбросов химического завода (Тарчевский, Шик, 1969), ингибирование цветения у Xanthium strumarium L. под влиянием CO2 (Purohit, Tregunna, 1974)].

12.            Возрастное преобразование в жизненном цикле и его нормальное существование [неотения у травянистых растений, произрастающих на территориях, коксохимических и металлургических заводов (Кондратюк с соавт., 1980)];

13.            Физические (электрические, электромагнитные, оптические и температурные) константы и характеристики растений;

14.            Гаметогенез, оплодотворение и формирование диссеминул [недоразвитие микроспор у злаков (Зуева, 1969) при воздействии каменноугольной золы; недоразвитие семян у Pinus sylvestris L. (Мамаев, Шкарлет, 1971) при загрязнении атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий];

15.            Нормальное функционирование и жизнеспособность на ювелирных стадиях развития [уменьшение всхожести семян Pinus sylvestris L. в 2-3 раза при загрязнении атмосферного воздуха (Мамаев, Шкарлет, 1971)];

16.            Нормальные сроки функционирования и жизнедеятельности клеток, тканей и органов [преждевременное и вызываемое осенними потеплениями отмирание верхушечных почек у 25% хвойных, произрастающих на осушенных болотах (Ефимова, 1977); отмирание хвоинок при контакте с оксидом магния – выбросом магнезитовых заводов (Носырев, 1966), уменьшение срока жизни хвоинок Picea abies L.под влиянием никеля c 11-12 лет до 2 лет].

17.            Демографические характеристики популяций – их возрастной состав, соотношения образующих их растений по полу, активность семенного размножения и вегетативного возобновления, жизнеспособность семян и проростков [уменьшение до 40-60% числа экземпляров Pinus sylvestris L., у которых образуются шишки: недоразвитие в этих шишках семян и изменение их нормального соотношения по полу (Мамаев, Шкарлет, 1971) при воздействии загрязненного воздуха; возникновение на загрязненных территориях, причем нередко на расстоянии до 6 км от источника загрязнения, зоны гибели растений (Владимиров, 1980)].

18.            Фитоценогенез и флорогенез на отдельных территориях [уменьшение числа видов сосудистых видов растений и водорослей при загрязнении нефтью (Шилова, 1978); возникновение фитоценозов с иным видовым составом растений, в частности, низкорослых березовых лесов при воздействии выбросов медеплавильных заводов].

Даже при незначительной концентрации загрязнителей длительное влияние на растения загрязненного воздуха приводит к уменьшению интенсивности их фотосинтеза и к замедлению их роста, а также к упрощению и распаду ценозов. Характерно, например, изреживание древостоев и уменьшение видового состава флоры в степных районах возникающие под влиянием дымогазовых выбросов металлургических и коксохимических предприятий.

Химические загрязнители оказывают влияние на патогенную активность потребителей растений, их численность, видовое разнообразие и количественное соотношение друг с другом. Установлено, что в березняках, загрязненных 90Sr, личинки пилильщиков поражают 93,5% листьев, в то время как в неразряженных березняках количество пораженных листьев не превышает 2,5%. На территориях, подвергнувшихся промышленному задымлению, среди насекомых – фитофагов преобладают фитофаги с колюще – сосущим ротовым аппаратом (Боченко, 1971).

Для нейтрализации загрязнителей или уменьшении их концентрации вблизи промышленных зон и в черте города выживают зеленые насаждения. Они обогащают воздух кислородом, фитонцидами, способствуют рассеиванию вредных веществ и поглощают их (Хвастунов, 1999). Лесные культуры площадью 1га способны осадить их воздуха 25-34 т взвешенных веществ в год, усвоить огромное количество углекислого газа и других вредных веществ, очистить около 18 млн. м3 воздуха за год. Фитонциды выделяемые деревьями, очищают воздух городов от бактериального загрязнения. Оказывая большое влияние на чистоту воздуха, растительность сама при этом повреждается и гибнет.

Продолжительность жизни деревьев в городах и промышленных зонах сокращается по сравнению с условиями леса в 5-8 раз (липа в лесу живет 300-400 лет, а в городе – 50 лет) (Артамонов, 1986; Вронский, 1996).

При озеленении территории следует выбирать древесные, кустарниковые и газонные растения в зависимости от почвенно-климатических условий, качественного и количественного состава выбросов, закономерностей рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в данной местности, эффективности данной породы для очистки воздуха от конкретного загрязнителя или их комбинации (пыле - газопоглощение), а также ее пыле – и газоустойчивости в реальной ситуации.

Высокой устойчивостью к диоксиду серы обладают клен ясенелистный, роза морщинистая, чубушник венечный. Но они обладают низкой поглотительной способностью. Высокой поглотительной способностью и устойчивостью отличаются тополь бальзамический, дерен белый (Кулагин, 1974).

На промышленных площадках, сильно и постоянно загрязненных сероводородом, успешно растут яблоня дикая, вишня степная, алиссум морской. Сероводород менее токсичен для растений улавливается ими в меньшей степени, чем диоксид серы или сероуглерод.

Поглощение диоксида азота обусловлено двумя процессами: в нейтрализации образующихся кислот и восстановлением азота с включением его в состав аминокислот. Диоксид азота поглощается растениями в 3 раза более интенсивно, чем оксид азота (Вронский, 1996).

Диоксид азота поглощают клен серебристый, рябина обыкновенная, тополь бальзамический, липа мелколистная, береза повислая.

При совместном присутствии в атмосферном воздухе аммиака и диоксида азота липа мелколистная и тополь бальзамический предпочтут аммиак.

Оксид углерода усваивается кленом американским, бирючиной обыкновенной, ольхой белой, елью обыкновенной. Каждый 1м2 листовой поверхности высших растений усваивается за 1 сутки от 12 до 120 кг оксида углерода. На свету оксид углерода усваивается значительно лучше, чем в темноте.

Пылеосаждающая способность древесного растения зависит от площади поверхности листьев (хвои), массы и плотности кроны, скорости концентрации пыли в воздушном потоке, расположения посадок, а также от частоты дождей, смывающих пыль с листьев.

Накопление хлоридов в листьях в пределах 0,7-1,5% вызывает наиболее сильные повреждения у каннского каштана обыкновенного, сирени обыкновенной, ясеня зеленого и слабые – у вяза сладкого, ивы белой, тополя канадского (Сергейчик, 1985).

По характеру действия посадки разделяют на изолирующие и фильтрующие. Изолирующими называются посадки плотной структуры, которые создают на пути загрязненного воздушного потока механическую преграду, заставляющую поток обтекать массив. При нормальных метеоусловиях они снижают содержание газообразных примесей на 25-35% путем рассеивания и отклонения загрязненного воздушного потока, а также поглощающего действия зеленых насаждений. Фильтрующими называют посадки, продуваемые и разреженные, выполняющие роль механического и биологического фильтра при прохождении загрязненного воздуха сквозь массив.

Эти посадки являются основными для санитарно-защитных зон (Воскресенская с соавт., 2004).

1.4 Физиологическая роль серы

К числу наиболее опасных и распространенных загрязнителей атмосферы относятся газообразные соединения серы. Ежегодно выбрасывается около 100 млн. т. Сернистых токсикантов, что в 2 раза превышает объем их выделения в процессе вулканической деятельности (Мурзакаев, 1977). Сера воспринимается растениями в виде сульфатов, накапливаясь в вакуолях, и частично связывается органическими основаниями, переходя в восстановленную форму. Сера, связанная в молекулах метионина, цистина и цистеина, составляет до 1,5% сухого вещества белка (Сабинин, 1955; Лир с соавт., 1974). Сера – обязательный элемент растительных клеток, принимающий деятельное участие в метаболизме. Каждому виду растений при отсутствии заметного загрязнения воздуха свойствен уровень накопления серы, колеблющийся в пределах 0,2-0,9% (Илькун, 1971). В условиях загрязнения воздуха соединениями серы ее содержание в ассимиляционных органах возрастает.

Под влиянием фотосинтетического яда – ДДТ и SO2 – происходит деформация, агглютинация и разрушение пластид. В зависимости от длительности воздействия изменяется проницаемость мембран, растворимость CO2 в протоплазме (Ботпанаева, 1981). При воздействии SO2 происходит потеря несвязной воды, нарушение деятельности синтетазы жирных кислот; уменьшается число размеры женских соцветий у Betula pubescens Еhrh.и Alnus incana (L.) Moench. (Антипов, 1970) и длина хвоинок у Pinus sylvestris L. (Негрудкая с соавт., 1981). Уменьшается количество соединений фитонцидного комплекса, выделяемых хвойными, пораженными SO2, SH2 и CO (Хлебович, 1969). Сухие вершины сосен, обесцвеченная листва, бурые и красные пятна на листьях, осыпающаяся хвоя – все это признаки большого содержания сернистых веществ в воздухе (Михеев с соавт., 1990). Оксид серы ядовит для растений даже в концентрациях от одной пятидесятитысячной до одной миллионной от объема воздуха.

Страницы: 1, 2, 3