Растения и чистота природной среды

Радиоактивные вещества

Пристальное внимание исследователей привлекает проблема загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Радиоактивные элементы могут попадать в окружающую среду в результате взрывов атомных и водородных бомб. Испытания ядерного оружия в 50-х годах привели к выпадению радиоактивных осадков. В них был обнаружен стронций-90, который, поступая в организм вместе с кальцием, накапливается в костях людей. В результате этого повышается вероятность заболевания раком, возникновения генетических аномалий, уменьшения продолжительности жизни.

В 1963 г. был подписан договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой, сыгравший важную роль в прекращении эскалации загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Однако нельзя сказать, что проблема эта снята с повестки дня. И сегодня некоторые страны, не присоединившиеся к договору, продолжают проведение ядерных испытаний.

В наземные растения радиоактивные вещества могут поступать как через листья, стебли и соцветия, так и через корни. В среднем за вегетационный период травянистым покровом зоны умеренного климата задерживается около 25 % общего количества радиоактивных веществ, поступивших на земную поверхность. В хвойных лесах выпадающие радиоактивные вещества почти полностью задерживаются в кронах древесных растений.

Радиоактивные вещества, задержанные растениями, смываются осадками, сдуваются ветром, удаляются вместе с опадающими листьями и ветвями, отделяющимися частицами коры. К концу вегетации в растениях остается лишь 2—10 % общего количества радиоактивных веществ, поступивших на поверхность растительного покрова в течение вегетационного периода.

Поглощение радиоактивного цезия—137 оказалось зависимым от содержания калия в питательном растворе: чем его больше, тем слабее поступает радиоактивный цезий. В связи с этим удобрение почв калием может служить средством ограничения поступления цезия—137 в растения. В целом, чем выше степень обеспеченности почв доступными формами соединений элементов минерального питания, тем ниже содержание радиоактивных элементов в растениях.

Проникнув в сосуды корня, цезий—137 перемещается затем вместе с током воды во все органы растений.

Хотя концентрация радиоактивных веществ в окружающей среде ныне невелика, тем не менее существует угроза их избирательного накопления некоторыми живыми организмами до такого уровня, который становится опасным либо для них самих, либо для тех, кто питается этими организмами. Большое количество радиоактивных веществ накапливают в себе водоросли и морские животные. Так, например, некоторые двустворчатые моллюски Тихого океана стали в 2000 раз более радиоактивными, чем морская вода. Концентрация радиоактивных веществ (например циркония, рутения, иттрия, тория и др.) в водорослях может превышать уровень их в морской воде в тысячи раз.

Даже в очень малых дозах радиоактивные вещества оказывают па растения очень сильное действие, нередко выражающееся в стимуляции роста. В больших дозах ионизирующие излучения резко тормозят рост главного побега, способствуют появлению ростовых аномалий, вызывают гибель растений. Хорошо известно, что на Маршалловых островах США производили испытания ядерного оружия. Первоначально геоботанические исследования, проведенные в 1954–1955 гг., не выявили заметных изменений. Однако уже в 1956 г. были зафиксированы патологические сдвиги у растений: гибель, хлороз, деформации. На некоторых растениях возникли «ведьмины метлы». Из 43 видов растений, произраставших на Маршалловых островах, после ядерных испытаний осталось лишь около половины. Цитологические исследования позволили установить, что радиация нарушает процесс нормального деления клеток, способствует возникновению мутаций, уродств и опухолей.

Пыль

Весьма неприятное явление представляет наличие в атмосфере большого количества пыли. Особенно много ее осаждается в промышленных городах. Пыль сама по себе, а также благодаря образованию туманов поглощает солнечные лучи, поэтому инсоляция в запыленных городах сокращается летом на 20, а зимой на 50 %. При этом ультрафиолетовое излучение снижается в 5—10 раз (например, с 3 % в окрестностях Парижа до 0,3 % в центре). Недостаток в городах солнечных лучей, особенно ультрафиолетовых, способствует развитию болезнетворных бактерий.

Только, за 25 лет с начала второй мировой войны запыленность атмосферы в результате деятельности человека возросла на 70 %, а суммарная солнечная радиация в связи с этим сократилась на 1 %. По данным на 1978 г., в атмосфере Земли находится около 310 млн т пыли антропогенного происхождения. Дальнейшее усиление запыленности может привести к падению температуры поверхности нашей планеты. Вместе с тем следует отметить наблюдение гляциологов, согласно которому происходит нарастание темпов таяния ледников в горах и сокращение площади арктических льдов. Это может быть результатом загрязнения поверхности льдов, которые в этом случае сильнее разогреваются солнцем.

Пылевидные частицы, содержащиеся в воздухе во взвешенном состоянии, оседают на надземных органах растений под действием гравитационных и электрических сил или прилипания. Осевшие пылевидные частицы оказывают на растения разнообразные влияния. В основном их можно подразделить на физические и химические. Физические воздействия связаны с образованием чехла, препятствующего нормальному тепло- и влагообмену листа с атмосферой и уменьшающего доступ к растению света. Химическое влияние обусловлено содержанием в пыли водорастворимых соединений. Эти соединения могут поступать в растения и оказывать влияние на обмен веществ.

Запыленность нарушает работу устьичного аппарата, ограничивает процесс транспирации, способствует повышению температуры листьев на 2–4°, а иногда на 8—10° по сравнению с незапыленными листьями, ослабляет процесс фотосинтеза, особенно при слабом освещении, понижает уровень сахаров в тканях, темпы накопления сухого вещества и роста растений, уменьшает их урожай, ухудшает качество растениеводческой продукции. Особенно сильный вред наносит запыленность в условиях континентального климата с жарким и сухим летом, когда не происходит смывания с поверхности листьев осевших частиц.

Комбинированное действие фитотоксикантов

В природной обстановке растениям, как правило, приходится сталкиваться с действием не одного, а нескольких фитотоксикантов. Теоретически в этом случае возможно как усиление, так и ослабление силы действия отдельных загрязнителей на растения. Чаще всего при действии двух или трех токсических веществ наблюдается заметное усиление их влияния. Такой эффект имеет место при обработке растений смесями сернистого газа с окислами азота, с озоном, с хлористым водородом. Токсичность озона в отношении гороха возрастала при одновременной обработке растений никелем или кадмием. В опытах с петунией, томатами и геранью токсичность смеси сернистого газа и окиси азота возрастала при добавлении озона.

* * *

Следует отметить, что не при всех комбинациях вредных веществ происходит усиление их действия на растения. Однако случаи ослабления повреждающего действия токсикантов при совместном применении наблюдаются довольно редко.

Приведенные факты свидетельствуют о глобальном загрязнении атмосферы, гидросферы и почвы самыми разнообразными химическими веществами, многие из которых оказывают сильное влияние на живые организмы. В настоящее время задача заключается в том, чтобы исправить ошибки, допущенные в прошлом, резко ограничить доступ в окружающую среду ядовитых и вредных веществ, направить усилия на уменьшение в ней накопленных ранее токсических, канцерогенных, мутагенных и радиоактивных соединений.

Меры, принимаемые в этом отношении в нашей стране, а также в некоторых других странах, весьма своевременны. В результате принятых мер задымленность воздушного бассейна Москвы снизилась в 5–6 раз. Москва представляет собой образец по чистоте атмосферы, вод Москвы-реки и городской территории.

Однако не следует обольщаться достигнутым, ибо сделанное в области охраны природы — лишь начало большой и сложной работы. Весьма важно, чтобы каждый человек осознал всю опасность, нависшую над ним самим, его детьми и внуками в результате глобального загрязнения окружающей среды. Весьма важно осознать и то, что каждый из нас может сделать очень и очень многое для сохранения чистоты воздуха и воды. Один из путей, ведущих к этому, — всемерная забота о расширении площади зеленых насаждений. Ибо растение — это мощная, бесперебойно действующая очистительная установка, умело созданная в ходе эволюции природой.

Правда, растения, как мы видели, сами сильно повреждаются токсическими веществами, находящимися в атмосфере, гидросфере и почве. В настоящее время мы еще недостаточно внимательно относимся к фактам снижения продуктивности культурных растений под влиянием загрязнителей. Между тем это приводит к большим материальным издержкам, к снижению эффективности сельскохозяйственного производства в зонах присутствия фитотоксикантов. Особенно сильный ущерб наносят загрязнители городским посадкам. В связи с этим особую остроту приобретает проблема устойчивости растений к загрязнителям воздуха и воды, а также проблема защиты полезных растений от их токсического влияния.

Глава 2. Растения — индикаторы загрязненности окружающей среды

В настоящее время разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды (Израэль, 1979), составной частью которого должен быть биологический мониторинг, осуществляемый на станциях фонового мониторинга. 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 присутствует не один, а несколько токсичных компонентов. При этом довольно часто возникает синергизм в их действии на живые организмы, при котором суммарный эффект превышает действие, оказываемое каждым компонентом в отдельности. Иными словами, концентрация каждого отдельного компонента комплекса загрязнителей, фиксируемая с помощью физико-химических методов, может казаться неопасной для живых организмов, тогда как их совокупное влияние является угрожающим. Этот синергизм не учитывается физико-химическими методами изучения загрязненности природной среды, однако он выявляется при использовании биоиндикации, т. е. при наблюдении непосредственного воздействия загрязнителей природной среды на живые организмы.

Разумеется, биологический мониторинг не подменяет и не вытесняет физико-химических методов исследования состояния природной среды. Однако его использование позволяет существенно повысить точность прогнозов сдвигов в экологической обстановке, вызванных деятельностью человека.

Принципы биологического мониторинга в настоящее время интенсивно разрабатываются. Весьма важным элементом его является растительный мир, который очень чутко реагирует па загрязненность окружающей человека среды. Не удивительно, 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 быстрее, чем сильнее загрязнен воздух. В норме хвоя сосны опадает через 3–4 года, тогда как поблизости от промышленных предприятий значительно раньше.

В индикаторной роли древесных растений нетрудно убедиться во время прогулки по большому городу. Липы, растущие 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 транспорта. Здесь немало угнетенных деревьев, особенно растущих возле светофоров. Дело в том, что при торможении автомашин в атмосферу попадает особенно много фитотоксикантов, которые сильно угнетают растения. Листья у них словно обгоревшие, а 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 качественного состояния природной среды. Фитотоксическое действие атмосферных загрязнителей выявляется путем наблюдения за дикорастущими и культурными растениями, произрастающими в зоне загрязнения. В ходе наблюдений прежде всего необходимо исключить возможность повреждения растений биотическими или же абиотическими факторами, не связанными с загрязнением окружающей среды.

Следует заметить, что растения одного какого-то вида могут оказаться устойчивыми к действию того или иного загрязнителя. В связи с этим общее качественное состояние природной среды невозможно охарактеризовать путем изучения только одного вида. Таким образом, т. е. с помощью мониторинга на уровне вида, возможна специфическая индикация одного какого-то загрязнителя.

Мониторинг на уровне вида включает в себя констатацию присутствия растения, учет частоты его встречаемости, изучение анатомо-морфологических и физиологобиохимических 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. Р. Гудериан (1979) 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 растительный материал и стандартные условия выращивания.

Наряду с мониторингом на уровне вида используется мониторинг на уровне сообществ. При этом учитываются различные показатели разнообразия видов. Так, например, был предложен метод, в основе которого лежит способность диатомовых водорослей успешно расти на стеклах. Он позволяет фиксировать как изменения в структуре сообщества диатомовых водорослей, так и в видовом составе при воздействии 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 же токсических веществ наблюдается типичное снижение числа видов и величины популяций, хотя иногда некоторые виды, устойчивые к токсикантам, становятся очень многочисленными из-за отсутствия конкуренции за пищу. Такие диатометры можно помещать в различные участки реки. В ряде случаев они могут быть использованы для обнаружения присутствия небольших количеств тяжелых металлов или радиоактивных материалов, поскольку некоторые металлы концентрируются водорослями до количеств, в тысячи раз превышающих их содержание в окружающей среде.

Как на уровне вида, так и на уровне сообщества 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 мониторинга природной среды важное место принадлежит учету содержания загрязнителей в живых организмах. Некоторые анатомо-морфологические и физиолого-биохимические признаки растений могут служить критерием количества поглощенного растениями фитотоксиканта. Однако прямая зависимость между количеством поглощенного загрязнителя и интенсивностью проявлений этих признаков может отсутствовать. В связи с этим становится целесообразным непосредственное измерение его количества 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 и плевела многолетнего. По величине накопления фитотоксикантов в листьях за определенный период можно определить среднее его содержание в окружающем воздухе.

Для оценки загрязненности атмосферы вредными примесями в прошлом японские исследователи предлагают использовать анализ строения годичных колец деревьев. С этой целью рекомендуется исследовать очертания самих колец, а также плотность ранней и поздней древесины.

Индикаторы присутствия сернистого газа

Лишайники нетребовательны к факторам внешней среды, они являются пионерами, поселяющимися на голых скалах. Однако для своего существования эти растения нуждаются в очень чистом воздухе. Малейшее загрязнение атмосферы, не влияющее на большинство высших растений, вызывает массовую гибель лишайников.

Еще в 1866 г. финский лихенолог В. Нюландер, описавший лишайники Парижа, отметил видовую бедность лихенофлоры большого города по сравнению с флорой его окрестностей. При повышении степени загрязненности воздуха первыми исчезают из городов кустистые лишайники, затем листоватые и, наконец, накипные (корковые) лишайники. 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.

Почему именно лишайники так чувствительны к загрязнению природной среды? Исследователи объясняют это рядом причин. Во-первых, у лишайников отсутствует непроницаемая кутикула, благодаря чему обмен газов происходит свободно через всю поверхность. Во-вторых, большинство токсичных газов концентрируется в дождевой воде, а лишайники впитывают дождевую воду всей поверхностью в отличие от цветковых растений, которые поглощают воду в основном из почвы. В-третьих, большинство цветковых растений в наших широтах активно только летом, когда уровень загрязненности обычно ниже; в то же время некоторые лишайники обладают способностью к росту при температурах ниже 0°. В-четвертых, в отличие от цветковых растений лишайники не способны избавляться от пораженных ядовитыми веществами частей своего тела каждый год.

Перечисленные выше причины высокой чувствительности лишайников к загрязнителям природной среды позволяют понять, почему в городах редко можно видеть этих представителей растительного мира. Главный враг лишайников в городах — сернистый газ. Именно он определяет распространенность некоторых эпифитных лишайников. Ученые установили, что чем выше уровень загрязненности природной среды сернистым газом, тем больше содержание серы в слоевищах лишайников, причем живое слоевище аккумулирует серу из среды интенсивнее, чем мертвое.

Вот почему, 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. Прогуливаясь по городу, он может констатировать полное отсутствие лишайников («лишайниковая пустыня»). 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, свидетельствует о том, что количество сернистого газа колеблется от 0,05 до 0,2 мг/м3. Если же вы видите на стволах деревьев пармелии, алектории и другие виды, то воздух довольно чист, содержание двуокиси серы не превышает 0,05 мг/м3.

Экспериментально установлено, что сернистый газ в концентрации 0,08—0,1 мг/м3 вызывает нарушение процесса фотосинтеза, появление бурых пятен в хлоропластах лишайниковых водорослей, деградацию хлорофилла, угнетение роста слоевищ. При низких значениях pH 3,2–3,4 хлорофилл необратимо окисляется, а при pH 2–3 он превращается в феофитин или расщепляется еще дальше. Повышение влажности приводит к усилению растворения сернистого газа и подкислению среды. По этой причине лишайники очень неустойчивы к фитотоксиканту при высокой влажности, но могут успешно выжить при достаточно большой концентрации двуокиси серы, если слоевище сухое.

Особое внимание исследователей привлек лишайник гипогимния вздутая (Hypogymnia physodes), серые, узколопастные слоевища которой часто встречаются на стволах хвойных. Он широко распространен на территории Европы. При концентрации сернистого газа 0,23 мг/м3 воздуха этот лишайник полностью отмирает за 29 суток. При меньшей концентрации сернистого газа (0,08 мг/м3) после восьмисуточного воздействия некроз занимал 60 % площади слоевища (Гудериан, 1979).

Для индикации загрязненности воздуха с помощью лишайников последние срезают вместе с корой деревьев незагрязненных районов, 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 лишайников. Если нужно, можно определить еще содержание хлорофилла. Так осуществляется контроль за состоянием окружающей среды с помощью лишайников, выявляются границы загрязненной территории.

Установлено, что по мере удаления от центра Рура скорость отмирания подопытного лишайника снижается. Особенно удобны лишайники в качестве индикаторов загрязненности окружающей среды, по мнению Р. Гудериана (1979), в случае низких концентраций токсических веществ.

С целью индикации загрязненности окружающей среды используются специальные карты, показывающие частоту встречаемости лишайников и степень покрытия ими 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 окружающей среды.

Хвойные породы особенно сильно страдают от сернистого газа. Чувствительность к нему у хвойных пород убывает в такой последовательности: ель, пихта, сосна веймутова, сосна обыкновенная, лиственница. Продолжительность жизни хвои сосны в зонах сильного загрязнения сернистым газом составляет один год, тогда как в норме — 3–4 года. Путем учета продолжительности жизни хвои и характера некрозов можно определить степень поражения хвойных насаждений сернистым газом. Важным критерием этого является также содержание хлорофилла.

Особенно удобной для целей индикации сернистого газа по содержанию хлорофилла считается криптомерия японская (Cryptomeria japonica). Ее можно использовать в течение всего года.

Согласно Гертелю, хвоя сосны образует на своей поверхности тем более толстый слой воска, чем выше концентрация или продолжительнее воздействие на нее сернистого газа. Это обстоятельство послужило основанием для разработки количественного метода индикации присутствия в атмосфере данного соединения. 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 растительном материале. В связи с этим возникли сомнения относительно достоверности данных, полученных 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 характерные изменения в содержании фенольных соединений, которые наблюдались за месяц до проявления видимых симптомов повреждения растений ели обыкновенной. В связи с этим реакцию изменения содержания фенолов в хвое ели предлагается использовать для оценки количества сернистого газа, загрязняющего воздух.

Другой характерный признак действия двуокиси серы на растения — снижение pH содержимого клеток. Если растения росли в центре города, то величина pH содержимого клеток коры липы широколистной (Tilia platyphyllos) равнялась 2,72, клеток 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 pH составляла соответственно 3,74, 4,21, 4,35. Между величиной pH и содержанием серы в образцах коры трех растений найдена тесная корреляция. У образцов с более кислой средой отмечено более высокое содержание серы. Таким образом, показатель кислотности клеточного содержимого может служить индикатором накопления растениями сернистого газа.

В качестве показателя скрытого повреждающего действия сернистого таза предлагается использовать интенсивность выделения этилена хвоей лиственницы, сосны и ели, величину активности фермента глутаматдегидрогеназы в листьях гороха и другие критерии.

Салат, люцерна, клевер, гречиха, хлопчатник, овес, подсолнечник, пшеница и ячмень очень сильно страдают от присутствия в среде сернистого газа. Американские исследователи предлагают использовать в качестве индикаторного растения мятлик однолетний (Роа annua), обладающий чрезвычайно высокой чувствительностью к загрязненности воздуха сернистым газом и другими газообразными примесями.

Индикаторы присутствия фтора

При индикации загрязненности атмосферы фтором используют две группы растений: устойчивые и неустойчивые к нему. Устойчивые к данному фитотоксиканту растения накапливают его. Количество фтора в этих растениях и служит показателем загрязненности воздуха фтором. Очень чувствительные к фтору растения реагируют на присутствие даже слабых концентраций этого фитотоксиканта развитием некрозов листьев.

Гладиолусы и фрезия особо чувствительны к фторидам. Эти растения предлагается широко использовать для оценки загрязненности воздуха указанными веществами. Гладиолусы очень удобны для этих целей, так как обладают повышенной устойчивостью к другому широко распространенному фитотоксиканту — сернистому газу. Весьма ценным для индикации присутствия фтора в атмосфере является голландский сорт гладиолусов «Снежная королева». По мере увеличения концентрации фтора в воздухе верхняя часть листьев растений отмирает. В качестве индикаторного растения на фториды гладиолус, успешно используется в США и Канаде.

Предложены и другие способы индикации загрязненности воздуха фторидами. Один из них основан на определении активности фермента пероксидазы. Установлено, что в растениях абрикоса, растущих вблизи алюминиевого завода, повышенное содержание фтора в тканях коррелировало с более значительной активностью пероксидазы. Повышение активности этого фермента предшествовало появлению внешних признаков отравления фтором. В связи с этим предлагается использовать показатель пероксидазной активности для оценки скрытых повреждений растений, вызываемых фтором. Аналогичные закономерности были обнаружены при действии фтора на растения ели, сосны и бука.

Индикаторы присутствия тяжелых металлов

Загрязнение окружающей среды медью резко сказывается на темпах роста растений, которые приобретают при этом карликовую форму. У некоторых из них (мак, роза) окраска лепестков меняется на голубую или даже черную. У шток-розы в этом случае цветки с ненормально узкими лепестками. Цветки эшшольции при избытке меди становятся сизыми. Прорастание семян табака под влиянием меди резко тормозится.

Некоторые бромелиевые и орхидные, культивируемые в теплицах, оказались очень чувствительными к цинку. Выяснилось, что они накапливали этот элемент из дождевой воды, которой их поливали. Цинк попадал в воду из оцинкованных несущих конструкций оранжерей. Вполне естественно, можно попытаться использовать эти растения в качестве индикаторов загрязненности окружающей среды цинком. В природной обстановке у растений под влиянием избытка цинка отмирают кончики листьев, возникают уродливые формы. У мака цветки иногда становятся махровыми.

Симптомы повреждения растений томатов никелем очень специфичны: на листьях появляются различные по величине некротические пятна. Нередко на стеблях возникают побуревшие участки, происходит усыхание стеблей в форме перетяжки. Более высокие концентрации никеля приводят к подавлению роста стеблей и корней, отмиранию точек роста.

Смолевка, поглотившая много свинца, приобретает карликовую форму. Листья и стебли этого растения становятся темно-красными, а цветки мелкими и невзрачными.

При избытке кобальта наблюдается ненормальное развитие лиственницы. Аномалия проявляется в виде неоднократного появления шишек (2–3 раза за сезон).

В апреле возникают шишки белого цвета, которые после засыхания сменяются шишками розового цвета. В июне шишки розового цвета засыхают и опадают. Вместо них появляются желтые шишки. Наконец, в июне вырастают зеленые шишки, но их цвет постепенно меняется на зеленовато-бурый или даже бурый. Ученые проследили за содержанием кобальта в шишках разного возраста и установили, что по сравнению с зелеными в белых, розовых и желтых шишках содержится в два раза больше кобальта. В буреющих шишках снова наблюдается накопление этого элемента. При обилии в окружающей среде кобальта у караганника возникают линзообразные и бочкообразные утолщения на стволах. Растение становится кривым и уродливым.

Для индикации загрязненности атмосферы тяжелыми металлами в Скандинавских странах используются низшие растения: сфагновые мхи, лишайники. Различные виды этих растений имеют неодинаковую способность к поглощению и накоплению тяжелых металлов. По данным шведских исследователей, накопление свинца, железа и марганца происходит более интенсивно в сфагнуме буром (Sphagnum fuscum) — мхе олиготрофных болот, произрастающем на кочках, по сравнению со сфагнумом длинноостроконечным (Sphagnum cuspidata), встречающимся в смежных западинках. Исследователи объясняют этот факт более высокой продуктивностью, а также повышенной ионообменной способностью сфагнума бурого. Это растение удобно использовать для индикационных целей.

Способность низших растений аккумулировать тяжелые металлы — загрязнители природной среды — широко используется при составлении карт загрязненности городов и территорий, примыкающих к автострадам. Химический анализ мхов позволил установить, что в г. Хельсинки максимальная концентрация свинца (80 мкг/л) находится на расстоянии 20 м от дороги, тогда как начиная с 40–50 м она составляет 30 мкг/л и в дальнейшем остается на этом уровне. Сходным образом изменялась концентрация цинка (от 8 до 4 мкг/л) и железа (от 2 до 0,5 мкг/л). Чем интенсивнее движение автотранспорта по дороге, тем больше свинца обнаруживалось во мхах. Так, например, при максимальной нагрузке содержание свинца составляло 223 мкг/л, а при минимальной — 40–50 мкг/л.

Так с помощью растений удается определять степень загрязненности природной среды тяжелыми металлами.

Индикаторы выхлопных газов автомобилей

Отрицательное воздействие выхлопных газов автомобилей проявляется на некоторых растениях настолько отчетливо, что их с успехом можно использовать для обнаружения опасной для здоровья людей концентрации этих газов. Особенно это важно в таких местах, где вследствие слабой циркуляции воздуха может происходить скопление выхлопных газов, например, в туннелях для автотранспорта. С целью индикации опасных концентраций ядовитых веществ там помещают сосуды с разными растениями. При большой концентрации газов концы листьев у ряда растений засыхают, а на самих листьях появляются светлые участки, лишенные хлорофилла. Эти показатели свидетельствуют о необходимости вентиляции в туннеле.

Чрезвычайно чувствительно к выхлопным газам автомобилей комнатное растение традесканция. Французские ученые подметили, что окраска ее тычинок меняется из синей в розовую при увеличении в воздухе окиси углерода и окислов азота, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания.

Индикаторы смога

Культурные растения под влиянием смога резко снижают урожайность: бобы — на 25, а помидоры — на 33 %. Между степенью повреждения растений от загрязнений (некроз, ожоги листьев, хлороз) и величиной урожая имеется вполне определенная количественная связь. Таким образом, культурные растения могут выступать в роли индикаторов загрязненности окружающей среды смогом.

С помощью гамма-облучения японские исследователи вывели очень чувствительный к смогу сорт бегонии, который при первых признаках фотохимического смога (0,15 частей газа на миллион частей воздуха) покрывается пятнами. Если концентрация смога продолжает увеличиваться, то пятна на листьях вздуваются, а затем образуются сквозные отверстия.

Индикаторы озона

Одним из компонентов фотохимического смога является озон. Установлено, что разные сорта одного и того же растения неодинаково реагируют на загрязнение окружающей среды, подобно тому как существует сортовая реакция растений по отношению к вредителям, болезням, воздействию неблагоприятных условий. Некоторые сорта растений оказались чувствительными к определенным веществам, загрязняющим воздух. Фасоль сорта Пинто реагирует на избыток озона и пероксиацетилнитрата. Выведены сорта табака, отличающиеся по отношению к озону. Так, растения сорта BelB устойчивы, сорта BelC чувствительны, а сорта BelW₃ сильно чувствительны к нему.

В 1967 и 1968 гг. в отдельных районах ФРГ определяли загрязненность воздуха озоном на основе симптомов повреждения растений-индикаторов. В качестве растения-индикатора был использован табак сорта BelW₃. Установлено, что степень повреждения растений в условиях ФРГ была ниже, чем в США. Авторы исследований объясняют это тем, что в ФРГ концентрация озона в воздухе при проведении опыта была сравнительно невысокой. В связи с этим для учета влияния пониженных концентраций озона требуются сорта табака более чувствительные, чем растения сорта BelW₃.

Между тем в США в 1976 и 1977 гг. восьминедельные растения табака сорта BelW₃, выращиваемые в поле на о-ве Нантакет, проявляли симптомы повреждения озоном, переносимым ветром с индустриальных районов Нью-Йорка и Вашингтона через открытый океан,

В 1981 г. был предложен оригинальный метод учета повреждений индикаторных растений озоном, включающий два этапа:

1) фотографирование поврежденных листьев в поле;

2) проведение измерений на негативах с помощью телевизионной камеры, соединенной с вычислительной машиной.

Фотографирование листьев в поле производится в определенном положении с использованием подсветки. С помощью зеленого светофильтра получают негативы, на которых некротические участки выглядят как темные пятна на белом фоне. Негативы рассматривают в телевизионной системе. Размер поврежденной фракции листа подсчитывают с помощью малой вычислительной машины. Преимущество этого метода в том, что он объективен и что фотографирование можно производить прямо в поле, не повреждая растений. Исследовалась также реакция указанных сортов табака на озон в условиях культуры ткани. В этом случае культивировавшиеся на искусственной питательной среде кусочки тканей вскоре становились коричневыми в результате разрушения поверхностных клеток. Одним из характерных признаков действия озона на растения является ингибирование прорастания пыльцы. В связи с этим предложено использовать прорастающую пыльцу в качестве биотеста на озон. Указанные выше сорта табака оказались сильно различимыми и по скорости роста пыльцевых трубок в присутствии озона. Длина пыльцевых трубок у чувствительного сорта табака BelW₃ в присутствии озона была в два раза короче, чем у BelB.

Другой эффект действия озона — разрушение хлорофилла. В связи с этим некоторые исследователи предлагают простой и быстрый метод оценки повреждений озоном листьев фасоли сорта Пинто по убыли хлорофилла.

Японские исследователи предложили в качестве индикатора загрязнения окружающей среды озоном растения ипомеи сорта Scarlet O’Hara.

Индикаторы радиоактивности

Некоторые водоросли обладают способностью избирательно накапливать отдельные элементы, в том числе радиоактивные (цирконий, рутений, иттрий, торий и др.). Так, например, концентрация стронция-90 в тканях протококковой водоросли сценедесмус превышает концентрацию этого элемента в воде в 1000–9000 раз. Высокую концентрацию радиоактивных веществ несут планктонные диатомовые водоросли, удельная радиоактивность которых в зараженной среде в 2 тыс. раз больше, чем в воде.

В связи с этим с помощью растений становится возможным контроль за радиоактивностью водоемов в случае попадания в них радиоактивных отходов. Так, например, исследование радиоактивности водорослей в р. Колумбия позволило определить площади заражения воды ниже Хэнфордских реакторов, которое было значительным уже на расстоянии 25–50 км.

Микроорганизмы — индикаторы загрязненности

Ученые подметили, что некоторые микроорганизмы очень чутко реагируют на состояние окружающей среды. Они, например, чувствуют чрезвычайно малые дозы вредных веществ, поступающих с промышленными стоками и атмосферными осадками. Большой интерес в связи с этим представляют светящиеся бактерии. Некоторые из них перестают светиться в присутствии самых разнообразных веществ, в частности газообразных промышленных загрязнений, например сернистого газа.

В настоящее время ученые создают штаммы бактерий, которые сигнализировали бы о присутствии различных токсикантов, а также конструируют приборы, в которых детекторами загрязнений служат сменные патроны, заполненные питательной средой с бактериями. Прекращение свечения бактерий под действием вредных примесей будет восприниматься фотоэлементами, которые подадут соответствующие сигналы человеку.

Приборы подобного типа будут использоваться для определения опасных концентраций анестезирующих веществ в операционных, содержания ядохимикатов вблизи обрабатываемых полей, для обнаружения утечки ядовитых веществ в лабораториях, а также в поисках полицией наркотиков.

* * *