Растение в роли газоанализатора

 Есть запах чистоты. Он зелен, точно сад, 
 Как плоть ребенка, свеж, как зов свирели, нежен.

Ш. Бодлер

Проблема загрязнения природной среды - одна из глобальных проблем современности. В связи с интенсивным развитием промышленности и транспорта в атмосферу, гидросферу и почву поступает все большее количество вредных выбросов. Среди веществ, загрязняющих воздух, наибольшее значение имеют сернистый газ, галогены и их соединения, озон, пероксиацетилнитрат, окислы азота, окись углерода, сероуглерод, сероводород, аммиак, этилен, а также копоть, пепел, твердые частицы пыли (цемента, извести, кремния, каменного угля, металлов и их соединений и др.).

Сильному загрязнению подвергся не только воздушный, но и водный бассейн. Загрязнение морей, океанов, рек, озер, прудов, а в последнее время и грунтовых вод стало весьма острой проблемой. Положение усугубляется еще и тем, что между всеми природными компонентами существует постоянная связь, и загрязненные воздушные массы становятся источником загрязнения водоемов и почв. Наибольшая доля в общем объеме сточных вод принадлежит стокам металлургических предприятий. Кроме того, водоемы служат вместилищами бытовых стоков, объем которых весьма значителен. Довольно велико и количество веществ, загрязняющих гидросферу. Особенно широкий спектр их дают стоки предприятий химической и нефтехимической промышленности. В результате получение чистой воды в некоторых странах (ФРГ, Голландия) превратилось в сложную проблему.

Токсические вещества, циркулируя в природной среде, попадают в почву, которая в ряде случаев стала их конечным накопителем. Загрязнение почвы происходит как за счет промышленных, бытовых и транспортных отходов, так и в результате целенаправленного внесения химических веществ (пестицидов, минеральных удобрений, структурообразователей, осадка сточных вод).

Таким образом, проблема защиты природной среды в настоящее время носит глобальный характер. К решению ее существуют различные подходы, рассмотрение которых выходит за рамки настоящей книги. Отметим лишь, что важным этапом на пути оздоровления природной среды становится разработка методов мониторинга, направленных на выявление, идентификацию и определение концентрации токсических веществ.

В настоящее время разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды, составной частью которого должен быть биологический мониторинг, осуществляемый на комплексных фоновых станциях. Большое внимание, уделяемое ныне биологическому мониторингу, определяется рядом обстоятельств.

Во-первых, измерение физических и химических параметров загрязненности природной среды более трудоемко по сравнению с методами биологического мониторинга.

Во-вторых, в окружающей человека среде нередко присутствуют не один, а несколько токсических компонентов, которые в комплексе воздействуют на живые организмы куда сильнее, чем каждый компонент в отдельности (явление синергизма). Иными словами, концентрация каждого компонента в комплексе загрязнителей, фиксируемая с помощью физико-химических методов, может казаться не опасной для живых организмов, тогда как на самом деле их совокупное влияние будет угрожающим. Этот синергизм не учитывается физико-химическими методами, однако он выявляется при использовании биоиндикации, т. е. при наблюдении непосредственного воздействия загрязнителей на живые организмы.

Разумеется, биологический мониторинг не подменяет и не вытесняет физико-химических методов исследования состояния природной среды, а позволяет более точно прогнозировать изменения в экологической обстановке, вызванные деятельностью человека.

Принципы биологического мониторинга в настоящее время интенсивно разрабатываются. Весьма важный элемент его - растения, которые очень чутко реагируют на состояние природной среды. Поэтому неудивительно, что исследователи рассматривают растения как наиболее чувствительные и надежные индикаторы загрязненности атмосферы и гидросферы.

Растения, произрастающие в городе, страдают от выхлопных газов автомобилей и дыма труб. Они рано стареют, редеет и уродуется их крона, преждевременно желтеют и опадают листья. Если сосны растут поблизости от промышленного предприятия, то хвоя опадает тем раньше, чем сильнее загрязнен воздух. В нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3 - 4 года, а поблизости от промышленного предприятия - значительно раньше. Это растение может с успехом служить индикатором загрязненности атмосферы.

В индикаторных свойствах деревьев нетрудно убедиться во время прогулки по большому городу. Липы в боковых тихих улочках со слабым автомобильным движением чувствуют себя прекрасно. Их крона темно-зеленая, развесистая. Совсем по-другому выглядят липы на магистралях с интенсивным движением. Здесь немало угнетенных деревьев, особенно возле светофоров. Дело в том, что при торможении автомашин в атмосферу попадает особенно много фитотоксикантов, которые сильно угнетают растения. Листья у них словно обгоревшие, ветви, обращенные в сторону автомагистрали, нередко засохшие, отчего крона выглядит однобокой. Сравните дерево, растущее возле самой дороги и расположенное во втором ряду посадок. Они также существенно отличаются.

Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, так и для оценки общего состояния природной среды. Фитотоксическое действие атмосферных загрязнителей обнаруживается путем наблюдения за дикорастущими и культурными растениями в зоне загрязнения. При этом прежде всего необходимо исключить возможность повреждения растений биологическими или абиотическими факторами, не связанными с загрязнением окружающей среды.

Мониторинг может осуществляться путем наблюдения как за отдельными растениями, так и за состоянием растительных сообществ - фитоценозов. С помощью мониторинга на уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне фитоценозов - общего состояния природной среды.

Мониторинг на уровне вида включает в себя констатацию присутствия растения, определение его встречаемости, изучение анатомо-морфологических и физиолого-биохимических свойств. При этом может учитываться, например, ширина годичных колец, площадь поврежденной поверхности листьев, аномалии роста, мощность воскового налета, содержание хлорофилла, активность некоторых ферментов.

Обнаружив по состоянию дикорастущих и культурных растений присутствие в воздухе специфических загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ путем стандартной экспозиции некоторых растений в обследуемом районе. Роберт Гудериан, автор книги "Загрязнение воздушной среды", предлагает использовать при этом следующие методы:

1. Экспозиция растений в контейнерах или на делянках.
2. Экспозиция в тест-камерах с фильтрованным и нефильтрованным воздухом.
3. Экспозиция на специальных стендах.
4. Испытание растений в лабораторных условиях.

На всех этих объектах производится количественное измерение отдельных реакций на загрязнение (степень повреждения листьев, скорость роста, величина урожая). Для количественной характеристики предлагается использовать генетически однородный материал и стандартные условия выращивания растений.

Мониторинг на уровне фитоценозов предполагает учет различных показателей разнообразия видов. Так, например, был предложен метод, в основе которого лежит способность диатомовых водорослей успешно расти на стеклах. Он позволяет фиксировать изменения как в структуре сообществ диатомовых водорослей, так и в видовом составе, вызванные воздействием загрязнений, находящихся в водной среде. При естественных условиях структура сообщества диатомовых водорослей остается довольно постоянной во времени. Однако, если в водную среду поступают загрязнения, богатые биогенными элементами (азотом, фосфором, углеродом), некоторые виды становятся очень многочисленными. При поступлении токсических веществ число видов и величина популяций снижаются, хотя иногда некоторые виды, устойчивые к токсикантам, становятся очень многочисленными из-за отсутствия конкуренции за пищу. Такие диатомеры можно помещать в различные участки реки. В ряде случаев с их помощью могут быть обнаружены небольшие концентрации тяжелых металлов или радиоактивных элементов, поскольку некоторые металлы аккумулируются водорослями до количеств, в тысячи раз превышающих их содержание в окружающей среде.

Как на уровне вида, так и на уровне фитоценоза о состоянии природной среды можно судить по показателям продуктивности растений. Дело в том, что изменения в экологической обстановке сказываются на круговороте биомассы и потоках энергии в сообществах.

Среди методов биологического мониторинга важное место принадлежит учету содержания загрязнителей в живых организмах. Некоторые анатомо-морфологические и физиолого-биохимические признаки растений могут служить критерием количества поглощенного растениями токсиканта. Однако прямой зависимости между количеством поглощенного загрязнителя и интенсивностью проявления этих признаков может и не быть, тогда целесообразнее измерять содержание загрязнителей непосредственно в растительном материале. Для этой цели удобно использовать такие растения, которые обладают устойчивостью к загрязнителям и в то же время селективно аккумулируют их. Так, например, для определения содержания в воздухе соединений фтора предлагается анализировать малочувствительные к ним растения плевела многоцветкового (Lolium multiflorum) и плевела многолетнего (L. perenne). По величине накопления фитотоксиканта в листьях за определенный период можно с достаточной точностью определить среднее его содержание в окружающем воздухе.

Японские ученые предлагают оценивать загрязненность атмосферы вредными примесями в прошлом по строению годичных колец деревьев. Для этого они рекомендуют исследовать очертания самих колец, а также определять плотность ранней и поздней древесины.