Растения и чистота природной среды

Фтор относится к числу сильнейших фитотоксикантов. Его действие на растительные клетки начинается сразу же после инфильтрации внутрь ткани без лаг-фазы. Некоторые промышленные предприятия, загрязняющие окружающую среду фторидами, служат причиной массовой гибели растительности. В штате Флорида (США) фтористые соединения фосфатного завода приводят к накоплению фтора в листьях цитрусовых, что служит причиной замедления роста растений и снижения урожайности.

Каковы же симптомы повреждения растений фтором? Прежде всего, у пораженных растений наблюдается явление хлороза, сопровождающееся отмиранием листьев (цитрусовые, хвойные, рис, колеус, яблоня, груша). У хвойных первоначально происходит побеление, а затем потемнение концов игл. При отмирании трети или половины хвоинок последние опадают. Вновь появляющиеся на растении листья отличаются меньшими размерами.

Так, после двухмесячной обработки фтором у апельсиновых деревьев отмечалось снижение площади листьев на 25–35 %. У пихты под влиянием фтора запаздывает образование поверхностного воска на молодой хвое.

Существует пропорциональная зависимость между степенью повреждения листьев у отдельных растений и содержанием в них фторидов. Самыми устойчивыми к фтористому водороду оказались нижние, более старые листья бобовых растений.

Наряду с поражением листового аппарата под влиянием фтора происходит ослабление прироста растений в высоту. У апельсиновых деревьев уменьшение прироста после двухмесячной обработки фтором составило 52 %. Фтор задерживает ростовые процессы у пшеницы, резко подавляет прорастание ее семян, а в концентрации 10-2 м полностью предотвращает прорастание семян вигны. Под влиянием 20-дневной обработки фтористым водородом (концентрация 0,1 мг/м3 воздуха) происходит значительное снижение урожая люцерны, ежи сборной и салата. Газация фтористым водородом в течение суток приводила к торможению цветения и снижению урожая сорго на 33 %, к тяжелым ожогам верхушек листьев тюльпана.

Исследования показали, что ионы фтора, поступившие из воздуха в клетки листьев апельсина, распределяются там неравномерно: большая их часть оказывается во фракции хлоропластов. В хлоропластах ряда объектов (хвои пихты, листьев яблони) отмечены структурные нарушения, которые исследователи относят к числу первичных эффектов фтора. По-видимому, под его влиянием происходит разрушение мембран хлоропластов. Вместе с тем в хлоропластах поврежденных растений падает содержание хлорофилла и каротиноидов. Все эти изменения не могут не сказаться на интенсивности фотосинтеза. Сильное ослабление интенсивности этого процесса под влиянием фтора обнаружено у тополя черного, вяза, двулетних сеянцев сосны обыкновенной и других растений.

Одновременно с ослаблением фотосинтеза в хвое сосны усиливается активность дыхательного процесса как на свету, так и в темноте. У сои под влиянием фтористого водорода также интенсифицируется дыхание, однако энергия дыхательного процесса не запасается в форме энергии макроэргических связей АТФ, а поэтому не может быть использована на процессы жизнедеятельности.

Факторы внешней среды оказывают большое влияние на поражаемость растений фтором. При недостатке влаги в почве, при низкой освещенности и невысокой температуре повреждение сои от фтористого водорода было меньше, чем при ярком освещении, обильном снабжении влагой и при благоприятных температурных условиях. Нетрудно связать действие этих факторов с состоянием устьиц. Факторы, благоприятствующие их закрыванию, повышают устойчивость растений к фтору, ибо растения в этом случае поглощают меньше фитотоксикантов.

Хлор и его соединения

Хлор и хлористый водород попадают в атмосферу при работе титано-магниевых заводов, гальванотехнических цехов, химических предприятий, производящих гербициды, инсектициды, соляную кислоту, органические красители, цемент, суперфосфат, уксусную кислоту, хлорную известь, соду.

Большое количество хлоридов (магния, кальция, натрия) попадает в почву при использовании солей для борьбы с гололедом. Обычно на 1 м2 дорожного покрытия расходуется 50–70 г солей. За зиму в ФРГ на каждый 1 м2 городских улиц попадает от 0,6 до 2,7 кг соли. Неудивительно, что на полуметровой глубине возле тротуара на каждые 100 г почвы химические анализы показали присутствие 600 мг солей. Кроме того, интенсивное засоление почвы хлоридом натрия происходит в местах производства калийных удобрений.

Хлор может поступать в растения и оказывать на них сильное повреждающее действие в различных формах: газообразный хлор, газообразный хлористый водород, соли соляной кислоты и т. д. Десятиминутное воздействие хлора в концентрации 0,75 мг/м3 значительно понижало интенсивность процесса фотосинтеза у пшеницы, овсяницы луговой, тимофеевки луговой. Снижение интенсивности фотосинтеза под влиянием хлора может быть обусловлено повреждением структуры хлоропластов (отслоение и разрывы их оболочек, укрупнение зернистости матрикса, нарушение гранулярно-сетчатой структуры).

Овсяница луговая реагирует на газацию хлором увеличением проницаемости мембран, причем с возрастанием концентрации действие хлора было более сильным. У менее устойчивой к хлору тимофеевки луговой изменение проницаемости наблюдалось при более низких концентрациях хлора.

Экспозиция растений фасоли в атмосфере газообразного хлористого водорода (20 мин при концентрации 6,0—54,2 мг/м3) приводит к накоплению в листьях хлоридов, причем наблюдалась прямая корреляция между их уровнем и дозой газовой обработки. После воздействия хлористым водородом в концентрации 0,12 мг/м3 воздуха в течение 140 ч урожай редиса снизился на 20 % по сравнению с контролем. Заметное торможение роста и уменьшение урожая под действием газообразного хлористого водорода отмечено у клевера лугового, томатов, озимой ржи, огурцов, моркови, фасоли, люпина, картофеля, конских бобов, шпината и рапса. Под влиянием хлористого водорода наблюдались изменения ультраструктуры хлоропластов, которые были аналогичны изменениям при обычных дегенеративных процессах (Гудериан, 1979). Автор пришел к заключению, что разные концентрации этого фитотоксиканта ускоряют процессы старения клеток.

Засоление придорожных участков хлоридом натрия, обусловленное использованием его для борьбы с гололедом, вызывает сильное поражение деревьев и кустарников, особенно в апикальных частях побегов, и зачастую ведет к полной гибели растений. Засоление почв привадит к тому, что у дорог широкое распространение получают халофитные виды растений.

Токсическое действие ионов натрия и хлора на клен остролистный проявляется в возникновении на листьях некрозов, отмирании и опадении ассимиляционных органов. Хвоя сосны и ели приобретает красновато-коричневый оттенок и также отмирает. В поврежденной хвое отмечено десятикратное увеличение содержания хлора. На расстоянии 24,4 м от дороги в хвое тсуги количество хлора возрастало более чем в 5 раз, а на расстояния 61 м — в 4 раза. В течение года количество ионов натрия и хлора в ветвях хвойных претерпевает закономерные изменения. В январе и в феврале происходит постепенное повышение их концентрации. В марте и в начале апреля наблюдается резкое увеличение их содержания, что совпадает с прекращением снегопадов и повышением температуры. В апреле и в мае отмечается снижение количества натрия и хлора в ветвях хвойных, обусловленное вымыванием солей из почвы весенними осадками.

Содержание хлора в листьях деревьев от 0,7 до 1,5 % в условиях Киева вызывает сильное повреждение каштана конского, липы сердцелистной, ясеня зеленого, сирени обыкновенной. Более слабые повреждения зафиксированы у ивы плакучей, тополя канадского, акации белой, вяза гладкого. Для предотвращения повреждения деревьев солями предлагается сажать вдоль дорог устойчивые к хлориду натрия деревья и кустарники, смешивать хлорид натрия с различными добавками, особым образом располагать насаждения.

Какие же физиолого-биохимические изменения лежат в основе губительного влияния хлора на растения? Ученые установили, что в листьях каштана и липы высокие концентрации хлора вызывают разрушение пигментов пластид в три и более раза по сравнению с деревьями, произрастающими вдали от дорог. В условиях хлоридного засоления у растений гороха происходит снижение количества свободных рибосом хлоропластов, что может сказаться на синтезе белка. Работами советского физиолога растений Б. Н. Строганова (1962) показано, что под влиянием солей в растениях нарушается азотный обмен, накапливаются аммиак и другие ядовитые для растений продукты. Кроме того, в растениях под влиянием избытка хлорида натрия могут возникать нарушения в энергетическом обмене в силу разобщения процессов окисления и фосфорилирования. Высокие концентрации солей вызывают повреждения поверхностных структур цитоплазмы, в результате чего клетки утрачивают способность к избирательному накоплению веществ. Немаловажным является и то обстоятельство, что при избытке солей в почве происходит концентрирование почвенного раствора, затрудняющее поступление воды в корни растений. Все эти изменения приводят к резкому падению урожайности сельскохозяйственных культур. Наиболее сильно страдают от засоления гречиха и картофель.

Аммиак

Аммиак попадает в атмосферу при производстве аммиачных удобрений, мочевины, азотной кислоты, при сжигании нечистот, содержащих это соединение, а также в результате функционирования сахарных, кожевенных и Других заводов, животноводческих комплексов. Количество аммиака в атмосфере выше предельно допустимых норм фиксируется на расстоянии 3 км от комплекса с 10 тыс. коров и на расстоянии до 5 км от комплекса со 100 тыс. свиней. Комплекс, содержащий 10 тыс. голов крупного рогатого скота, выделяет за сутки около 60 кг аммиака.

В природе аммиак образуется в почве в результате жизнедеятельности бактерий-аммонификаторов, осуществляющих разложение белков и мочевины. Этот аммиак практически не загрязняет окружающую среду, поскольку быстро утилизируется другими микроорганизмами, осуществляющими нитрификацию, в ходе которой аммиак окисляется до азотистой и азотной кислот.

Глубина нарушений азотного обмена под влиянием аммиака у древесных растений зависит от концентрации газа. Низкие концентрации аммиака не вызывают видимых повреждений листьев, поскольку растения обладают достаточно аффективными механизмами его детоксикации (прямое аминирование кетокислот, переаминирование). Высокие же концентрации аммиака вызывают необратимые изменения в обмене веществ растений, сопровождающиеся накоплением в тканях аммиачного азота, подщелачиванием клеточного содержимого, а вследствие этого сильным повреждением листовых пластинок растений. Под влиянием аммиака в листьях изменяется интенсивность процессов фотосинтеза и дыхания, содержание органических кислот, активность некоторых ферментов, водный режим и т. д.

Удобрения

Снос удобрений в водоемы приводит к ряду неблагоприятных последствий. Во-первых, повышение содержания в воде азота и фосфора оказывает непосредственное воздействие на водные организмы. Во-вторых, оно приводит к антропогенной евтрофии водоемов. Интенсивное развитие водорослей сопровождается последующим их отмиранием, в результате чего запасы кислорода расходуются на окисление различных органических соединений. Вода при евтрофии перенасыщается органическим веществом.

Нитраты содержатся в сточных водах химических, лакокрасочных, фенольных производств, в бытовых сточных водах. Наряду с нитратами в сточных водах химических, химико-фармацевтических, лакокрасочных, текстильных производств и заводов по выпуску резинотехнических изделий присутствуют нитриты.

В ряде стран установлена прямая связь между интенсивностью использования нитратсодержащих удобрений, количеством нитратов в воде и заболеваемостью раком желудка.

Оксид углерода

Угарный газ является одним из важнейших компонентов атмосферных загрязнений. Его довольно много в выхлопных газах автомобилей. Ученые подсчитали, что автотранспорт Мехико в течение суток выбрасывает 4 тыс. т оксида углерода, а Токио — около 2 тыс. т. Кроме того, угарный газ образуется при неполном сгорании веществ, содержащих углерод (уголь, нефть, природный газ). В выбросах отопительных установок концентрация оксида углерода достигает 1,5 %. В доменном газе может содержаться до 30 % угарного газа.

Угарный газ является сравнительно малотоксичным для растений, поскольку они обладают способностью окислять его до углекислого газа и связывать затем в фотосинтетическом цикле. Отрицательное влияние окиси углерода на растения проявляется при сравнительно высоких концентрациях — более 1 %.

Показано, что окись углерода вызывает уменьшение проницаемости клеточных мембран. Возможно, поэтому процесс поглощения растениями минеральных солей под влиянием угарного газа подавляется. Это подавление обратимо под действием света.

Одна из характерных особенностей действия угарного газа — его способность к образованию комплексов с железо- и медьпротеидами. Среди ферментов клетки воздействию окиси углерода наиболее подвержена цитохромоксидаза. В высоких концентрациях угарный газ резко подавляет активность этого фермента дыхательного процесса и дыхания в целом. Кроме того, оксид углерода вызывает быстрое исчезновение в растениях фосфорных эфиров сахаров, нарушает сопряженность окисления и фосфорилирования, индуцирует замедление роста, эпинастию листьев, усиливает корнеобразование.

Тяжелые металлы

Свыше 40 химических элементов таблицы Менделеева относятся к тяжелым металлам. С точки зрения загрязнения окружающей среды, способности накапливаться в пищевых продуктах и токсичности наибольшее значение имеют: ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, ванадий, цинк, медь, кобальт, молибден и никель.

Тяжелые металлы поступают в атмосферу как из природных источников (пыль, переносимая ветром, лесные пожары, вулканическая деятельность, выделение растительностью, морская пена и морская пыль), так и из антропогенных источников (горнодобывающая промышленность, цветная металлургия, обрабатывающая промышленность, сжигание угля, нефтепродуктов, дерева, мусора и отходов, производство фосфорных удобрений и т. д.).

Главный путь поступления металлов в атмосферу в естественных условиях — пыль, поднятая ветром. На ее долю приходится более 80 % атмосферного никеля, более 60 % меди и свинца, более 55 % цинка. Исключением является кадмий, основная масса которого (более 60 %) поступает в атмосферу в результате вулканической деятельности.

Однако все крупные естественные источники поступления металлов в атмосферу отступают на задний план по сравнению с масштабами поступления металлов в атмосферу в результате человеческой деятельности. Именно деятельность людей коренным образом изменила естественные потоки химических элементов. Антропогенные источники обеспечивают выброс в атмосферу по сравнению с природными в 18,3 раза больше свинца, в 8,8 раза больше кадмия, в 7,2 раза больше цинка. Особенно сильно возросли масштабы геохимической деятельности человечества за последние годы. Добыча металлов удваивается каждые 12–14 лет. И вместе с тем растет доля металлов, рассеиваемых в атмосфере. В течение года, например, окружающую среду загрязняют 80–90 % добываемых за тот же период времени свинца и ртути.

Тяжелые металлы оказывают исключительно сильное влияние на биосферу. Полное отмирание растительности нередко наблюдается в случае загрязнения почвы солями тяжелых металлов (меди, цинка, хрома, кобальта, ртути, титана и др.). Проведенные исследования позволили установить, что катионная форма этих элементов оказывает на растения более сильное токсическое действие, чем анионная форма. В связи с этим ученые пришли к заключению, что токсичность элементов обусловлена их физико-химическими свойствами и положением в периодической системе.

Основная часть свинца оказывается в атмосфере в результате сжигания нефтепродуктов и деятельности предприятий цветной металлургии. Благодаря использованию этилированного бензина, содержащего соединения свинца, количество этого элемента в городах резко возросло.

Вместе с выхлопными газами автомобилей в окружающую человека среду только в США ежегодно попадает около 200 тыс. т свинца, что составляет около 1/6 части его годовой добычи в стране. В воздухе крупных городов США содержание свинца иногда достигает 40–70 мкг/м3 воздуха. Не случайно в костях современных американцев содержится в 100 и даже больше раз свинца, чем в костях древних египтян, а в крови городских жителей его значительно больше, чем в крови обитателей сельской местности.

Пыль, содержащая свинец, оседает на растениях и других предметах, а затем смывается осадками в почву. Установлено, что количество свинца в почвенной пыли сельских местностей приблизительно в 10 раз меньше, чем в городской пыли.

В значительном количестве свинец поступает и в гидросферу. По подсчетам ученых, в 1972 г. в океаны и моря воздушные массы и дожди принесли около 200 тыс. т этого элемента.

Еще в 1952 г. швейцарские исследователи заметили, что на листьях деревьев, высаженных вдоль шоссе и улиц городов, возникают некротические пятна. Они появлялись с краев и постепенно распространялись к середине. Количество их год от года увеличивалось, листья становились коричневыми и отмирали. Было подмечено, что чем ближе дерево расположено к автостраде, тем сильнее оно повреждалось. Сокращение числа автомашин, движущихся по улицам, обусловленное решением городских властей, привело к заметному улучшению состояния деревьев.

В придорожных растениях количество свинца резко повышено, оно в 10—100 раз выше по сравнению с растениями, растущими вдали от дорог. Между содержанием свинца в растениях и расстоянием дерева от дороги существует доказуемая обратная зависимость (достоверность 95 %).

Свинец в достаточно высокой концентрации тормозит прорастание семян редиса, замедляет рост корней в длину, а также образование корневых волосков. Листья отравленных свинцом растений становятся хлоротичными в межжилковых зонах. Особенно сильно поражаются молодые листья.

Под влиянием свинца активность фотосистемы I и II снижалась, причем фотосистема II оказалась более чувствительной к действию этого фитотоксиканта. Свинец оказывает ингибирующее влияние на реакцию Хилла (способность изолированных хлоропластов на свету выделять кислород) и фотосинтетическое фосфорилирование. Установлено, что в хлоропластах растений, растущих поблизости от автострады, наблюдается подавление образования аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Чем дальше растения расположены от автострады, тем больше в, изолированных хлоропластах образуется АТФ. Содержание АТФ находилось в обратной зависимости от количества в растениях свинца.

Кроме того, свинец вызывает потерю тургора клетками растений, в результате чего листья становятся дряблыми. Клетки корпя прекращают делиться. У редиса свинец подавляет образование корнеплодов. Неудивительно, что урожайность культурных растений вблизи предприятий, загрязняющих природную среду свинцом, сильно снижается. Вместе с тем присутствие свинца в окружающей среде приводит к существенному снижению качества продукции. В опытах с петрушкой было показано, что количество β-каротина и аскорбиновой кислоты в растениях резко снижалось, если они произрастали на расстоянии 30 м от автострады по сравнению с растениями, находящимися от нее на расстоянии 200 м. В сентябре количество β-каротина в растениях, соседствующих с автострадой, было на 55 % меньше. В картофеле под влиянием свинца уменьшается содержание крахмала.

Некоторые растения очень чувствительны по отношению к свинцу: ячмень, овес, пшеница, картофель. Среди дикорастущих следует отметить смолевку, которая, поглотив много свинца, приобретает карликовую форму. Листья и стебли этого растения становятся темно-красными, а цветки мелкими и невзрачными.

Поступление в атмосферу ртути обусловлено деятельностью человека, связанной с распашкой земель, бурением, с осуществлением горных работ, промышленных взрывов и т. п. Все эти факторы усиливают диффузию ртути, находящейся в почве и подпочвенной породе. Особую опасность представляет накопление ртути в гидросфере. Основным источником ее поступления в водоемы являются ядохимикаты, используемые в сельскохозяйственной практике, а также сточные воды промышленных предприятий. Кроме того, ртуть оказывается в морях и океанах, будучи привнесенной из атмосферы, куда она попадает при сжигании угля и нефти, а также при выветривании горных пород, в результате диффузии из земных недр. Отходы, содержащие ртуть, под влиянием гнилостных процессов, протекающих в водоемах, оказываются более токсичными, чем сама ртуть. Ученые полагают, что 90 % всей ртути в водных экосистемах США, Швеции, Финляндии и ряда других стран находится в метилированной форме.

Наиболее высокие концентрации ртути обнаружены у беспозвоночных и рыб в реках, озерах и прибрежных водах Японии, Скандинавских стран и Канады. У берегов Швеции, Финляндии, Дании и Норвегии обнаружено значительное увеличение ртути в рыбе (до 20 мг/кг биомассы). Отметим для сравнения, что по рекомендации Всемирной организации здравоохранения предельно допустимая концентрация ртути в рыбе составляет 0,05 мкг/г. В результате накопления этого элемента многие виды рыб стали непригодными к употреблению. То же самое происходит и в Средиземном море: отдельные виды рыб содержат в 2–3 раза больше ртути, чем считается допустимым по стандартам ВОЗ.

Первые опыты по влиянию паров ртути на растения были поставлены еще в конце XVIII в. голландскими химиками Дейманом, Паатсом, ван Тройствийком и Лауверенбургом. У бобов, мяты и сирени, помещенных под стеклянный колпак вместе с ртутью, через 24 ч листья становились пятнистыми. После нескольких дней обработки парами ртути растения погибали. Молодые цветочные почки розы оказались особенно чувствительными к наличию в воздухе паров ртути. Они погибали вместе с участками стебля, расположенными непосредственно под почкой.

Поглощенная корнями растений гороха ртуть слабо передвигается в надземные органы. Около 95 % поступившего в проростки токсиканта остается в корнях. Чем выше концентрация ртути в питательном растворе, тем больше накапливают ее корни. Около 40–50 % ртути в корнях прочно связано с фракцией клеточных стенок.

Одним из самых заметных эффектов действия этого элемента является ингибирование роста корней и побегов, что обусловлено, по-видимому, нарушением деятельности апикальных меристем. Действительно, метилртуть, растворенная в воде, накапливается в молодых тканях элодеи и оказывает токсическое влияние на апикальные меристемы, которое сильнее выражено с возрастанием концентрации и времени обработки. Уже в низких концентрациях (7,5∙10-10—7,5∙10-8М) метилртуть нарушает митотический цикл и снижает интенсивность деления клеток. При этом нередко возникают клетки, содержащие два и даже более ядер. Высокие концентрации фитотоксиканта способствуют распаду клеток и ядер.

Наряду с торможением роста под влиянием ртути наблюдаются и другие эффекты. Слабые концентрации фенилртути вызывают образование небольших опухолей на корнях пшеницы, выращенной методом гидропоники. При относительно высокой концентрации (100 мг/л бората фенилртути в 1 л питательного раствора) возникает хлороз листьев пшеницы. Хлористая ртуть, по-видимому, обладает меньшей токсичностью. В опытах с пшеницей она не вызывала хлороза листьев.

Ежегодное поступление кадмия из природных источников составляет 0,83 тыс. т, в то время как антропогенные источники дают 7,3 тыс. т. Таким образом, все природные источники загрязнения окружающей среды этим металлом отступают на второй план по сравнению с человеческой деятельностью. Главным загрязнителем атмосферы кадмием является цветная металлургия и обработка цветных металлов (5,31 тыс. т). Этот элемент широко используется в гальванотехнике и производстве сплавов, в красильном деле, для стабилизации хлорвинил-хлорида и т. д. Кроме того, кадмий поступает в окружающую среду при сгорании некоторых видов топлива и особенно при сжигании мусора и отходов (1,4 тыс. т).

Из атмосферы кадмий поступает в почву. Загрязнение ее этим элементом носит устойчивый характер, поскольку из почвы он вымывается чрезвычайно медленно.

Кадмий загрязняет и гидросферу. Только в Северном море вместе с дождем ежегодно привносится из атмосферы 230 т этого элемента. Из воды тяжелые металлы могут попадать в организмы животных. Содержание кадмия у рыб, употребляемых в пищу, относительно невелико, но оно очень высоко в таких органах, как печень, что может вызвать серьезные нарушения здоровья людей в случае использования печени рыб в пищевой промышленности.

Большое количество кадмия обнаруживается в растениях, произрастающих поблизости от автомобильных дорог. Так, например, в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости от автострады, количество кадмия возрастает в 11–17 раз. Между содержанием кадмия и расстоянием между деревом и дорогой существует статистически доказуемая обратная зависимость (достоверность 95 %). То же самое можно сказать и о растениях, произрастающих на разном расстоянии от предприятий, загрязняющих окружающую среду этим токсикантом.

Существует прямая зависимость между содержанием кадмия в почве и поступлением его в растения, однако между поглощением этого элемента и реакцией на него такой зависимости, по-видимому, нет. Так, сосна веймутова по сравнению с кленом красным и елью поглощает кадмий более интенсивно, однако видимые симптомы повреждения проявлялись у нее в меньшей степени, чем у этих растений. Симптомы избыточного поступления в растения кадмия проявляются в постепенном изменении окраски кончиков листьев и черешков до красновато-бурой и пурпурной. При этом листья скручиваются, становятся хлоротичными и опадают.

В опытах с рисом показано, что этот элемент замедляет темпы роста растений. При внесении его в количестве 20 мг на 1 кг почвы урожай растения снижался на 50 %. Аналогичное снижение урожая происходит и у пшеницы при внесении кадмия в почву в количестве 15 мг/кг. По силе своего действия на растения кадмий превосходит многие другие тяжелые металлы. Гибель растений отмечается при концентрации этого элемента в почве в количестве 30 мг/кг и выше. Неудивительно, что вблизи предприятий, выбрасывающих в атмосферу кадмий, наблюдается резкое снижение урожайности и даже гибель культурных растений.

Большое количество кадмия попадает в почву при разработке и добыче цинковых руд. На таких почвах нельзя выращивать растения, ибо этот токсикант аккумулируется в тканях растений и может затем поступать в организм человека. Накопление кадмия происходит главным образом в корнях растений риса и пшеницы, однако часть его достигает других органов.

Одна из причин торможения роста растений, произрастающих в присутствии кадмия, — резкое ослабление интенсивности фотосинтеза. Присутствие в 1 кг листьев 96 мг этого элемента снижает интенсивность фотосинтеза на 50 %. Однако это, безусловно, не одна и не главная причина токсического действия кадмия на растения.

Кобальт относится к числу элементов, необходимых для нормального роста растений. Он входит в состав витамина B₁₂, образуемого растениями, необходим для фиксации атмосферного азота симбиотическими микроорганизмами, повышает засухоустойчивость растений.

Вместе с тем это один из наиболее токсичных металлов. Он сильно ингибирует прорастание семян табака, губительно влияет на растения. Так, например, присутствие в 1 кг почвы всего 14,6 мг кобальта приводит к сильному поражению и задержке роста растений овса. У фасоли, выращиваемой в питательном растворе в присутствии кобальта (10-6—10-5М), отмечена хлоротичность листьев, а при концентрации его 10-4 М — снижение веса надземной массы.

За счет естественных источников в окружающую среду поступает 18,5 тыс. т меди, тогда как в результате человеческой деятельности — 56,0 тыс. т. Главным источником загрязнения природной среды медью являются предприятия цветной металлургии и по переработке цветных металлов — 21,1 тыс. т. Поэтому в окрестностях медеплавильных заводов обнаруживается повышенное содержание этого металла.

Вместе с кобальтом и марганцем медь относится к числу микроэлементов, необходимых для растений. Для жизнедеятельности растений требуются очень небольшие количества меди. В случае избытка этого элемента на растениях возникают симптомы поражения, рост их резко замедляется. Так, например, у овса избыток меди вызывает побеление кончиков листьев, задержку роста первичных и образование вторичных корней, подавление формирования корневых волосков, замедление роста надземной части. В результате патологических изменений, возникших в растениях при избытке меди, урожай культурных растений резко сокращается. Так, например, внесение меди в количестве 300 кг на 1 га приводит к снижению урожая клубней картофеля в три раза.

Количество никеля, поступающего в атмосферу из природных источников, составляет 26,0 тыс. т, тогда как из источников антропогенного происхождения — 47,4 тыс. т. Он широко применяется в электротехнике и производстве сплавов, используемых для чеканки монет.

Под влиянием никеля подавляется прорастание семян табака, рост стеблей и корней, происходит отмирание точек роста. Одна из причин торможения роста растений — ослабление интенсивности фотосинтеза. Листья подсолнечника, содержащие в 1 кг своей массы 79 мг никеля, фотосинтезируют в два раза слабее, чем контрольные растения. Другая причина обусловлена, по-видимому, изменениями в регуляторной системе растений. Отмечено, что под влиянием никеля в верхних листьях томатов происходит повышение количества флавон-3-глюкозида. Исследователи считают, что уродства, возникающие под действием никеля на растения, обусловлены именно накоплением фенольных соединений.

В атмосферу Земли поступает значительное количество цинка. Естественные источники дают 43,5 тыс. т, а источники антропогенного происхождения — 314,4 тыс. т. Из атмосферы этот элемент может поступать в водоемы, а затем в живые организмы.

Цинк относится к числу микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности растений. Тем не менее высокие концентрации его отрицательно сказываются на растениях. Одной из причин токсичности этого металла является то, что цинк относится к числу элементов, интенсивно накапливающихся в растениях. Сосна веймутова, клен красный и ель обыкновенная энергично поглощают цинк, причем между скоростью этого процесса и содержанием цинка в питательной среде существует прямая зависимость. В результате избыточного накопления цинка у растений возникают симптомы отравления: подавление роста корней, образование некрозов, карликовость, увядание, ускорение опадения листвы. Высокие концентрации этого элемента снижали урожай клубней картофеля почти в два раза.

Загрязнение окружающей среды мышьяком происходит в результате выбросов предприятий, работающих на ископаемом топливе, в процессе переработки сульфидных руд цветных металлов и серного колчедана, в состав которых он входит в виде примеси, а также при использовании некоторых средств защиты растений. По имеющимся данным, в 1977 г. в природную среду поступило 37 тыс. т мышьяка.

Мышьяк накапливается в почве, откуда поглощается растениями. Интенсивность поглощения этого элемента наземными растениями обычно невелика. Однако растения, выращенные на шахтных отвалах, накапливают его сравнительно много. Морские водоросли интенсивно поглощают мышьяк, при этом концентрация его в клетках выше 10-6 М является ингибирующей для метаболитических процессов.

Токсическое влияние оказывают на растения и другие металлы, загрязняющие природную среду, например бериллий, марганец, ванадий, хром, титан, серебро и др.

Приведенные примеры показывают, что в настоящее время природная среда чрезвычайно интенсивно загрязняется тяжелыми металлами, представляющими опасность для живых организмов. В связи с этим надлежит принять всесторонние меры, направленные на предотвращение поступления их в окружающую среду. Это диктуется не только опасностью, которую они представляют для всего живого, но и ограниченностью природных ресурсов. Ведь многие тяжелые металлы представляют исключительную ценность, которая постоянно растет в связи с уменьшением запасов минерального сырья. Их рассеивание в природной среде — разбазаривание огромных богатств.

Органические вещества

К числу органических веществ, загрязняющих окружающую среду, относятся предельные, ненасыщенные, гидроароматические и ароматические углеводороды и их производные — спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, эфиры. Ассортимент органических веществ, загрязняющих воздух, воду и почву, постоянно растет, и ученые не успевают изучать их влияние на живые организмы.

На некоторых химических предприятиях воздух загрязнен формальдегидом, муравьиной кислотой и другими веществами. У овсяницы луговой и тимофеевки луговой формальдегид вызывает заметное увеличение проницаемости мембран. У газонных трав под влиянием этого вещества отмечено частичное снижение интенсивности фотосинтеза.

В условиях теплицы, отапливаемой нефтепродуктами с целью обогрева и обогащения воздуха углекислым газом, вредное влияние на растения оказывает не только сернистый газ, но и олефины (этилен, пропилен, бутилен), которые накапливаются в результате неправильного функционирования топок, а также при работе в теплицах двигателей внутреннего сгорания. Этилен особенно ядовит для гвоздик, орхидей, тюльпанов, нарциссов и хризантем. Он приводит к преждевременному сбрасыванию листьев, что весьма нежелательно. Более ста лет назад на улицах Берлина можно было наблюдать листопад растений в середине лета. Выяснилось, что причиной этого являлся светильный газ, попадавший в атмосферу в результате неисправности городского газопровода. В светильном газе содержится этилен, который и был «виновником», более раннего «прихода осени» на улицы Берлина,

Этилен вызывает задержку роста проростков гороха, их изгибы, а также возникновение утолщений в зоне роста. Изгибы и эпинастию листьев вызывают также ацетилен и пропилен, однако эти газы эффективны в более высоких концентрациях, чем этилен. Этилен индуцирует пролиферацию растительных тканей, особенно камбия стебля и корня, что является причиной ростовых аномалий. Так, например, у гибискуса он вызывает возникновение наростов, похожих на корни, состоящие из недифференцированной ткани. Следует иметь в виду, что этилен вырабатывается самими растениями и по этой причине в незначительном количестве содержится во всех растительных тканях. В них он играет роль ингибитора ростовых процессов. Кроме того, этилен является природным регулятором созревания плодов. Он вырабатывается в зрелых плодах в таком количестве, что у незрелых плодов, находящихся с ними в одной камере, происходит ускоренное дозревание.

Одним из самых распространенных загрязнителей водоемов является фенол. Вода, загрязненная этим токсикантом, имеет коричневую окраску и характерный запах. Она приводит к отмиранию всего живого. По берегам рек гибнет растительность. Обработка парами фенола (концентрация 5—50 мг/м3) олиственных побегов древесных пород вызывает повышение содержания фенольных соединений в растениях наряду со снижением количества пигментов и углеводов в листьях. Этот эффект находится в прямой зависимости от концентрации фитотоксиканта и продолжительности его воздействия.

Широко распространенными загрязнителями окружающей среды органической природы являются пестициды. В настоящее время в мировом сельском хозяйстве ежегодно применяется около 2 млн. т этих веществ. Интенсивное их использование в сельском и лесном хозяйствах приводит к загрязнению воздуха не только в местах применения, но и на значительном расстоянии от них, чему способствует снос ветром аэрозолей, возникающих при авиационной и наземной обработке полей. Кроме того, ветер сдувает с почвы пыль, содержащую ядохимикаты. Наконец, пестициды могут поступать в атмосферу в результате неудовлетворительного их хранения па складах.

Ядохимикаты могут попадать в гидросферу. Пути их поступления в водную среду различны: с ливневыми и талыми водами, со стоками промышленных предприятий, изготавливающих пестициды, при обработке с помощью авиации территорий, примыкающих к водоемам. Иногда пестициды специально вносятся в водоемы дли борьбы с гнусом, для уничтожения малоценных и хищных видов рыб, для предотвращения «цветения» водоемов. Возможны и другие пути загрязнения водной среды ядохимикатами: в результате мытья тары из-под пестицидов, транспорта, использовавшегося для их перевозки, и т. д. Некоторые пестициды плохо растворимы в воде. Они опускаются на дно водоемов и могут служить источником вторичного загрязнения воды при взмучивании ее. В каждом 1 м3 воды рек восточных штатов США несут, в среднем по 5 мг пестицидов.

Наиболее опасны для человека стойкие пестициды хлорорганической природы, способные длительно, до 10 лет, сохраняться в почве и накапливаться в организме человека в жировой ткани. Эти пестициды нередко поступают в организм человека из животных продуктов, особенно высокожирных. Исследования показали, что в жировой ткани вегетарианцев пестицидов вдвое меньше, чем в жировой ткани людей, питавшихся смешанной пищей.

В развивающиеся страны, где контроль за использованием химических средств в сельском хозяйстве почти не осуществляется вследствие отсутствия законов об охране окружающей среды, компании промышленно развитых капиталистических стран нередко поставляют запрещенные у себя в стране к применению токсические химические препараты. По неполным данным, за 1971–1976 гг. в странах Центральной Америки было зарегистрировано 19 тыс. случаев отравления инсектицидами. По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно в мире около 500 тыс. человек заболевает, а свыше 5 тыс., умирает в результате отравления пестицидами.

Беспокойство ученых вызывает накопление в окружающей среде продуктов бытовой химии, в частности веществ, входящих в состав стиральных порошков. В водоемы попадает большое количество детергентов, широко, используемых для изготовления моющих средств, в производстве синтетического каучука, на текстильных фабриках и т. д. Некоторые из них очень ядовиты и уничтожают в достаточно высокой концентрации всю фауну и флору. Ядовитость их усиливается тем, что они препятствуют поступлению кислорода внутрь водоема.

Моря и океаны сильно загрязнены нефтью и нефтепродуктами. Значительное их количество поступает в гидросферу при морской транспортировке нефти, при сравнительно частых авариях нефтеналивных танкеров, а также в результате аварий на морских буровых платформах. Доля, вносимая в загрязнение гидросферы морскими буровыми установками, постоянно растет. Загрязняют морскую воду нефтью и нефтепродуктами пассажирские, грузовые и военные суда. В настоящее время существует система международных соглашений, направленных на ограничение поступления этих вредных веществ в море. Тем не менее они по-прежнему загрязняют морские просторы, ибо никакими международными соглашениями невозможно предотвратить штормовую погоду и аварийные ситуации.

Растекаясь по поверхности моря, нефть образует огромные маслянистые пятна, тянущиеся иногда на несколько тысяч километров. Это сопровождается массовой гибелью морских птиц, ибо нефть, смачивая оперение, приводит к склеиванию перьев, уменьшению защитных функций их от холода. Кроме того, попадая в пищеварительный тракт, нефть вызывает отравление птиц. На многих побережьях морские волны постоянно выбрасывают мертвых или полумертвых птиц, запачканных нефтью. Даже в Антарктиде обнаружены колонии пингвинов, измазанных нефтепродуктами.

Нефтяная пленка на поверхности морей и океанов нарушает газообмен и влагообмен между атмосферой и гидросферой, угнетает развитие планктона. Растворимые в воде компоненты нефти отравляют обитателей морей и океанов, отрицательно сказываются на вкусовых качествах мяса морских животных.

Мутагены

В настоящее время известно большое количество химических соединений, способных вызывать возникновение мутаций — наследственных изменений в клетках. Эти вещества также представляют большую опасность, связанную с возникновением нежелательных наследственных аномалий человека, животных и растений.

В современном химическом производстве находят применение разнообразные вещества, обладающие большой мутагенной активностью (эпоксиды, этиленимины, алкилсульфаты, сульфоны и др.). Эти и многие другие соединения прямо или косвенно попадают в организм человека через воздух, воду, продукты питания, лекарственные препараты, пищевые добавки, консерванты и т. д. Мутагенной активностью обладают многие пестициды. Из 126 обследованных пестицидов почти три четверти вызывали мутации. Среди выхлопных газов автомобилей с точки зрения мутагенной опасности имеют значение свинец, окислы азота, углеводороды, триметилфосфат. К мутагенам относятся также соли хлорной кислоты (перхлораты), встречающиеся в сточных водах.

В результате воздействия мутагенных факторов, загрязняющих окружающую среду, на микроорганизмы возможно возникновение таких форм болезнетворных вирусов, бактерий, грибов, которые обладают особо патогенными свойствами, и к которым у человека может отсутствовать иммунитет.

Возникновение мутаций не приводит, как правило, к непосредственной гибели растений, однако потомство от таких растений может иметь различные врожденные аномалии, иногда приводящие к смерти.

Канцерогены

К опасным загрязнителям природной среды относятся канцерогенные вещества. Источники их разнообразны. Наибольшую долю канцерогенов составляют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Типичными представителями ПАУ являются бензпирен и бензантрацен. Источниками ПАУ служат процессы синтеза при термическом разложении органических веществ (углей, сланцев, торфа, древесины), при крекинге и пиролизе нефти и нефтепродуктов. ПАУ формируются также при работе двигателей внутреннего сгорания. Так, в 1 м3 выхлопных газов автомобилей содержится около 0,5 мкг бензпирена. В наибольшей степени он загрязняет обочины дорог и придорожную полосу шириной до 20 м.

Полициклические ароматические углеводороды присутствуют не только в атмосфере, они все более накапливаются в водоемах, поступая в них вместе с паводковыми, грунтовыми и ливневыми водами. Источником бензпирена в водоемах являются сточные воды различного происхождения (коммунально-бытовые, текстильные и фенольные от коксохимических производств). В силу слабой растворимости в воде ПАУ накапливаются в донных отложениях, откуда постепенно вновь поступают в воду. Присутствие в сточных водах некоторых веществ повышает растворимость ПАУ, в том числе бензпирена.

ПАУ оказывают влияние на рост и другие физиологические процессы растений. Такие вещества, как бензпирен, бензантрацен, при увеличении концентрации вызывают деструкцию клеток корня кукурузы. Наиболее заметные изменения наблюдались в рибосомах, митохондриях, пластидах и ядрах клеток. Определенные концентрации ПАУ приводят к возникновению у растений различных аномалий, в том числе опухолей.

Наряду с ПАУ в природной среде встречается ряд химических канцерогенов иной природы, главным образом гетероциклических и азотсодержащих соединений, например алкилнитрозамины, бензидин, аминоазосоединения. Эти вещества имеют сравнительно простое строение, легко растворимы в воде. Во внешнюю среду они поступают в результате некоторых производственных процессов, имеющих место, например, в резиновой промышленности. Нитрозосоединения легко синтезируются в организмах и в природной среде из предшественников, которыми могут быть нитриты, нитраты, а также вторичные амины. Некоторые пестициды могут представлять канцерогенную опасность, поскольку обладают способностью превращаться в канцерогенные продукты. Среди гербицидов, подвергающихся нитрозированию, в первую очередь следует отметить карбаматы, производные мочевины и триазинов.

Канцерогенной активностью обладают также свободные радикалы различных соединений, обнаруженные в атмосфере ряда городов, например, в Лос-Анджелесе. Неудивительно, что имеется тенденция к повышению частоты заболеваемости раком легких в городах по сравнению с сельской местностью.

В Институте физики АН Грузинской ССР установлено, что концентрация ионов металлов в молекулах ДНК и РНК заметно возрастает при злокачественной трансформации клеток. Исследователи обнаружили, что повышенная концентрация того или иного металла прямо связана с возникновением опухоли в том или ином органе. По этой причине ученые полагают, что загрязнение окружающей среды металлами приводит к накоплению их в молекулах нуклеиновых кислот, в результате чего нарушается нормальное функционирование клеток.

Несмотря на незначительное в ряде случаев содержание канцерогенов во всевозможных выбросах, общее их поступление в биосферу Земли в настоящее время выражается значительными цифрами.