Этот вредный сернистый газ

Сернистый газ, являющийся одним из наиболее вредных компонентов загрязнений, накапливается в атмосфере в результате переработки и горения органических веществ (каменного и бурого угля, нефти, нефтепродуктов, древесины), при производстве и использовании серной кислоты, плавке серосодержащих руд. Его выбрасывают тепловые электростанции, предприятия черной и цветной металлургии, коксохимические и цементные заводы, заводы по производству синтетических волокон, аммиака, целлюлозы.

По данным на 1978 г., в атмосферу ежегодно поступало 110 млн. т сернистого газа, из них 75% приходилось на долю Северной Америки и Западной Европы. Возрастание выброса сернистого газа за последние годы - прямое следствие дефицита энергоресурсов. Раньше, когда он еще не ощущался, высокосернистые угли и мазуты почти не использовались в качестве топлива. Однако сейчас они активно сжигаются и служат одной из главных причин загрязнения атмосферы.

Сернистый газ особенно токсичен для растений. Некоторые виды, например люцерна, хлопчатник, пшеница, перилла, капуста, ячмень, овес, ревень, салат-латук, шпинат, табак, женьшень, редька посевная, ежа сборная, очень чувствительны к этому загрязнителю.

Благодаря диффузии молекул двуокись серы поступает в растения главным образом через устьица. Чем сильнее опушены листья, тем меньше они поглощают сернистого газа. Так, например, низкой поглотительной способностью обладают липа войлочная и клен серебристый, а интенсивной - снежноягодник и желтая акация.

Поступив внутрь листа, газ растворяется в жидкой фазе клеток. По этой причине скорость поступления фитотоксиканта сильно зависит от влажности воздуха и насыщенности листьев водой. Увлажненные листья поглощают сернистый газ в несколько раз быстрее, чем сухие. Влажность воздуха также влияет на этот процесс. Растения фасоли при относительной влажности воздуха 75 % поглощали сернистый газ в 2-3 раза быстрее, чем при влажности 35%.

В зоне загрязнения воздуха сернистым газом растения интенсивно накапливают в своих тканях серу. Обычно чем больше содержание этого элемента в растениях, тем сильнее выражено повреждение листьев. Сначала на них возникают ожоги, потом листовые пластинки сморщиваются, отмирают и опадают. При концентрации сернистого газа порядка 1:1000000 хвоя сосны опадает. Если концентрация будет увеличиваться, хвоя может погибнуть за несколько часов. Молодые листья активнее поглощают сернистый газ и сильнее страдают от него, чем старые.

В растениях, подвергшихся воздействию двуокиси серы, резко падает содержание хлорофилла, существенно нарушается структура хлоропластов. Все это сказывается на интенсивности фотосинтеза, она резко ослабляется, что в свою очередь тормозит рост растений, снижает урожайность, ослабляет устойчивость растений к возбудителям болезней и неблагоприятным факторам среды.

Растения, у которых реакция на сернистый газ выражена резко и отчетливо, можно использовать как индикаторы этого токсиканта.

Лишайники очень неприхотливы, могут селиться даже на голых скалах, однако нуждаются в очень чистом воздухе. Малейшее загрязнение атмосферы, не влияющее на большинство высших растений, вызывает их массовую гибель.

Еще в 1866 г. финский лихенолог Б. Нюландер, описавший лишайники Парижа, отметил, что лихенофлора большого города по видовому составу беднее лихенофлоры его окрестностей. При повышении степени загрязненности воздуха первыми исчезают из города кустистые лишайники, затем листоватые и, наконец, накипные (корковые). Во многих промышленно развитых городах, особенно вокруг заводов, возникают зоны, в которых лишайники вообще отсутствуют. Это так называемая "лишайниковая пустыня". Для того чтобы читатели имели представление о размерах "лишайниковой пустыни", приведем следующие цифры: в 1957 г. ее площадь в Мюнхене составила 58 км², а в Таллине в 1954 г. - около 12 км². Воздух Нью-Йорка влияет на лишайники, удаленные от города на очень большое расстояние.

Почему именно лишайники так чувствительны к загрязнению окружающей среды? Исследователи объясняют это рядом причин. Во-первых, у них нет непроницаемой кутикулы, благодаря чему газообмен происходит свободно через всю поверхность. Во-вторых, большинство токсичных газов концентрируется в дождевой воде, а лишайники впитывают ее всей своей поверхностью в отличие от цветковых растений, которые поглощают воду в основном из почвы. В-третьих, большинство цветковых растений в наших широтах активны только летом, когда уровень загрязненности среды обычно ниже, а некоторые лишайники обладают способностью к росту при температурах ниже 0°С. В-четвертых, в отличие от цветковых растений лишайники не способны избавляться от пораженных ядовитыми веществами частей своего тела.

Перечисленные выше причины высокой чувствительности лишайников к загрязнителям окружающей среды позволяют понять, почему в городах редко можно видеть этих представителей растительного мира. Главный враг лишайников в городах - сернистый газ. Именно он определяет распространение некоторых эпифитных (Лишайники, растущие на коре деревьев и кустарников) лишайников. Ученые установили, что, чем выше уровень загрязнения природной среды сернистым газом, тем больше серы содержится в слоевищах лишайников, причем живое слоевище аккумулирует ее из среды интенсивнее, чем мертвое.

Если вы решили отдохнуть в данной местности и хотите установить, насколько чист в ней воздух, поищите вокруг лишайники. Чем чище воздух, тем разнообразнее видовой состав этих растений и интенсивнее их рост. Человек, знающий некоторые виды лишайников, может довольно точно установить концентрацию сернистого газа в воздухе. Если, прогуливаясь по городу, вы не встретите ни одного лишайника ("лишайниковая пустыня"), то это означает, что концентрация двуокиси серы в воздухе превышает 0,3 мг/м³. Присутствие в городе некоторых выносливых по отношению к загрязнителям лишайников, например ксантории, фисции, анаптихии, леканоры, говорит о том, что количество сернистого газа колеблется в пределах от 0,05 до 0,20 мг/м³.

Ксантория настенная (Xanthoria parietina) - один из самых обычных лишайников. Она часто встречается на коре деревьев, например осин, на скалах и камнях. Слоевище ксантории имеет вид оранжево-желтых розеток, которые хорошо заметны издали. Характерную окраску им придает особое вещество - париетин. Интенсивность окраски зависит от условий освещения. На солнце слоевище оранжевое, при затенении оно становится серовато-зеленым.

На придорожных и парковых деревьях часто можно видеть фисцию припудренную (Physcia pulverulenta). Розетковидное слоевище этого лишайника достигает в диаметре 15 см. Сверху оно оливково-коричневое, часто покрыто сизоватым налетом, а снизу темное.

Наиболее распространена в парках, в светлых лиственных лесах, на придорожных деревьях анаптихия реснитчатая (Anapthychia ciliaris). Реже ее можно встретить на скалах и древесине. Ее пепельно-серое или коричневато-серое слоевище имеет вид лежащих на субстрате или слегка приподнимающихся кустиков.

Представители рода леканора (Lecanora) очень широко распространены в природе. Они относятся к группе накипных лишайников, у которых слоевище имеет вид корочек, плотно сросшихся с субстратом.

Если вы видите, что лихенофлора данной местности более богатая, включает в себя пармелии, алектории и другие виды лишайников, значит, воздух довольно чист, содержание двуокиси серы не превышает 0,05 мг/м³.

Слоевище у пармелии листоватое, имеющее различную окраску: беловато-серую, серую, желтовато-зеленую, коричневую, черновато-бурую. Их можно обнаружить на деревьях, древесине, скалах, реже на почве. Наиболее широко распространены пармелии оливковая (Parmelia olivacea), образующая на коре деревьев, чаще всего берез, розетковидные блестящие коричневые слоевища, козлиная (P. caperata) с желтовато-зелеными розетками и бороздчатая (P. sulcata), произрастающая как в лесах, так и в населенных пунктах.

Представители рода алектория (Alectoria) имеют слоевища в форме низких кустиков или бород, свисающих с деревьев.

Экспериментально установлено, что сернистый газ в концентрации 0,08-0,10 мг/м³ вызывает нарушение фотосинтеза, появление бурых пятен в хлоропластах лишайниковых водорослей, деградацию хлорофилла. При низких значениях рН среды (3,2-4,4) хлорофилл необратимо окисляется, а при рН = 2-3 претерпевает еще более глубокие изменения. Повышение влажности приводит к усилению растворимости сернистого газа и подкислению среды. По этой причине лишайники, менее устойчивые к сернистому газу при высокой влажности, могут успешно выжить при достаточно большой его концентрации, если у них сухое слоевище. При концентрации двуокиси серы, равной 0,5 мг/м³, гибнут все виды лишайников.

Особое внимание исследователей привлек лишайник гипогимния вздутая (Hypogymnia physodes), серые, узколопастные слоевища которой часто встречаются на стволах хвойных. Он широко распространен на территории Европы. Если концентрация сернистого газа достигает 0,23 мг/м³, этот лишайник полностью отмирает за 29 суток. После 8-суточного воздействия сернистого газа меньшей концентрации (0,08 мг/м³) некроз занимал 60% площади слоевища.

Для индикации загрязненности воздуха с помощью лишайников последние срезают вместе с корой деревьев в незагрязненных районах, помещают на специальные стенды и выставляют в обследуемых местах. Скорость отмирания слоевища регистрируется с помощью фотографирования, которое производится на цветную или инфракрасную пленку через определенное время. Кроме того, путем микроскопирования определяют процент поврежденных клеток водорослей ли-шайников. Если нужно, можно определить еще и содержание хлорофилла. Так осуществляется контроль за состоянием окружающей среды и выявляются границы загрязненной территории.

Установлено, что по мере удаления от центра Рура скорость отмирания подопытного лишайника снижается. Особенно удобны эти растения в качестве индикаторов токсических веществ, содержащихся в окружающей среде в низких концентрациях.

С целью индикации загрязненности окружающей среды используются специальные карты, показывающие частоту встречаемости лишайников и степень покрытия ими древесных стволов. Такие карты составлены для различных районов ЧССР, ФРГ, Великобритании, Канады и других стран. Они почти полностью совпадают с картами, составленными на основании показаний приборов, регистрирующих загрязненность воздуха.

Для выяснения корреляции между реакциями лишайников и потенциальной опасностью для высших растений в лаборатории западногерманского эколога Роберта Гудериана были проведены сравнительные опыты по газации этих объектов. Оказалось, что при концентрациях сернистого газа, вызывающих острые повреждения у высших растений, гипогимния погибала в течение недель или месяцев. По сравнению с высшими растениями лишайники реагировали очень медленно. Некроз у высших растений появлялся раньше, чем можно было обнаружить какие-либо внешние признаки реакций у слоевищ лишайников. Роберт Гудериан полагает, что кратковременное воздействие высоких концентраций загрязнителя менее опасно для гипогимнии, чем для некоторых высших растений. Вместе с тем долговременное воздействие низких концентраций вызывает более продолжительное заболевание у лишайников, чем у высших растений.

Ель

Пихта

Дальнейшие исследования с долговременной газацией очень низкими концентрациями сернистого газа, а также полевые наблюдения показали, что гипогимния погибает при концентрациях, которые вызывают повреждение лишь у самых чувствительных высших растений. Поэтому гипогимнию вздутую можно считать хорошим индикатором для регистрации низких концентраций загрязнителей в атмосфере. Скорость отмирания листоватых лишайников может служить показателем потенциального влияния атмосферных загрязнителей на высшие растения.

Сосна

Лиственница

Хвойные породы, как уже отмечалось, особенно сильно страдают от сернистого газа. Чувствительность к нему убывает в такой последовательности: ель, пихта, сосны веймутова и обыкновенная, лиственница. Как известно, продолжительность жизни хвои сосны в нормальных условиях составляет 3-4 года. За это время она накапливает такое количество сернистого газа, которое существенно превышает пороговое значение. Под влиянием токсиканта хвоя сосны в зонах сильного загрязнения приобретает темно-красную окраску, которая распространяется от основания иглы к ее острию, а затем отмирает и опадает, просуществовав всего один год. Лиственница, ежегодно сбрасывающая свою хвою, значительно устойчивее к сернистому газу. Поэтому по продолжительности жизни хвои сосны и характеру некрозов можно определить степень поражения сосновых насаждений сернистым газом. Важным критерием при этом является содержание хлорофилла. Чрезвычайно удобной для индикации сернистого газа по содержанию хлорофилла считается криптомерия японская (Cryptomeria japonica) - большое дерево с довольно гладким темно-коричневым стволом и густой пирамидальной кроной. Короткие игольчатые хвоинки словно вросли в веточку и составляют с ней единое целое. Они не осыпаются по отдельности, как у ели или сосны, а опадают вместе с веточками, на которых сидят. В нашей стране криптомерию высаживают на Черноморском побережье Кавказа для защиты чайных плантаций от холодных ветров.

Криптомерия японская очень удобна для индикации загрязненности воздуха

По наблюдениям Гертеля, толщина воскового слоя на хвое сосны тем больше, чем выше концентрация или продолжительнее воздействие на нее сернистого газа. Это обстоятельство послужило основанием для разработки количественного метода индикации данного соединения в атмосфере. Суть метода заключается в том, что определенное количество хвои кипятится в воде. Принимается, что степень помутнения экстракта прямо пропорциональна количеству воска, покрывающего хвою. Чем выше мутность, устанавливаемая с помощью приборов, тем больше концентрация сернистого газа в воздухе. Такой метод получил название "тест помутнения по Гертелю".

Дальнейшие исследования показали, однако, что помутнение водного экстракта из хвои вызвано не только воском, но и целым рядом других веществ, присутствующих в растительных тканях. В связи с этим возникли сомнения относительно достоверности результатов, получаемых с помощью указанного метода. Между тем накопление эпикутикулярного воска под влиянием сернистого газа обнаружено не только у хвойных, но и у других растений, в частности у райграса. По этой причине, возможно, следует определять не интенсивность помутнения экстракта, а непосредственно содержание воска в растительном материале.

Вместе с тем двуокись серы вызывает у ели обыкновенной характерные изменения в содержании фенольных соединений, которые наблюдаются задолго до появления видимых симптомов повреждения. Поэтому реакцию изменения фенолов в хвое ели предлагается использовать для оценки количества сернистого газа, загрязняющего воздух.

Другой характерный признак действия двуокиси серы на растения - повышение кислотности в клетках. Если растения росли в центре города, то величина рН в клетках коры липы широколистной (Tilia platyphyllos) равнялась 2,72, ясеня обыкновенного (Fraxinus excelsior) - 3,12, а клена остролистного (Acer platanoides) - 3,42. На расстоянии 16,5 км от центра города у тех же объектов величина рН составляла соответственно 3,74; 4,21; 4,35. Между величиной кислотности в клетках и содержанием серы в образцах коры трех растений обнаружилась тесная корреляция. У образцов с более кислой средой отмечено более высокое содержание серы. Таким образом, повышение кислотности в клетках может служить индикатором накопления растениями сернистого газа.

В качестве показателя скрытого повреждающего действия сернистого газа предлагается использовать интенсивность выделения этилена хвоей лиственницы, сосны или ели, величину активности фермента глютаматдегидрогеназы в листьях гороха и другие критерии. На некоторых растениях под влиянием сернистого газа возникают характерные повреждения. Так, у злаков на листьях появляются светло-коричневые или белесоватые полосы по обеим сторонам листа вблизи центральной жилки, которая сохраняет зеленую окраску. Американские исследователи предлагают использовать в качестве индикатора мятлик однолетний (Роа annua), обладающий чрезвычайно высокой чувствительностью к сернистому газу. Этот злак весьма широко распространен, его семена почти не имеют периода покоя и быстро прорастают. Проростки энергично развиваются во взрослые растения, которые дают несколько поколений в год. Все это делает мятлик однолетний очень удобным для изучения загрязненности воздуха двуокисью серы.