Техногенное загрязнение лесов и изменение климата

Определение концентраций загрязняющих веществ только в воздухе и почве не позволяет прогнозировать все возможные эффекты их воздействия. Средние концентрации токсиканта в атмосфере не отражают реальную нагрузку на растения. Следует заметить, что в полевых условиях зависимость между меняющейся концентрацией фтора в воздухе и его содержанием в растительных тканях является нелинейной функцией (Хальбваш, 1988). Концентрация фтора в растении зависит от трех процессов - поглощения, распределения, транслокации и выведения.
В связи с увеличением количества выбросов фтора в окружающую среду существенно изменяется его цикл и соответственно - влияние на природу. Эволюция современных растительных видов протекала в условиях стабилизированного состава атмосферного воздуха. Вследствие этого они очень чутко реагируют на любое изменение концентрации компонентов атмосферы. Для выявления особенностей аккумуляции фтора в органах растений необходимо знать содержание этого элемента в растениях, произрастающих вне влияния промышленных предприятий.
Наличие фтора в растениях было обнаружено еще в 1845 г., но лишь в 1913 г. А. Тотье и В. Клаусман провели более широкое исследование содержания этого элемента в растениях. Фтор был обнаружен во всех 64 изученных видах (Власюк, 1969). Многочисленными исследованиями установлено, что аккумуляция фтора зависит от наличия его подвижных соединений в почве, индивидуальных особенностей организма.
Естественное содержание фторидов в растениях, выросших в свободных от промышленности районах, невелико. Среднее содержание его в различных органах растений колеблется от 0,1 до 5 мг/кг сухого вещества, однако может падать до значительно меньшего уровня. Есть растения - аккумуляторы фтора. В различных видах чая фтора содержится 50-360 мг/кг, в листьях камелии - до 1370 мг. Листья березы накапливают в 3 раза больше этого элемента, чем другие породы в идентичных условиях. Листья содержат фтора на порядок больше, чем кора и древесина. Возможно, что это различие возникло от неполной экстракции фторидов в одревесневевших тканях. Внутри клетки фтора больше содержат хлоропласты, меньше - клеточные стенки, белки и митохондрии (Белякова, 1977; Пашова, 1980). Следует иметь в виду, что о формах нахождения фтора в растительных тканях идут дискуссии. Установлено (Габович, 1957), что большая часть фтора в листьях чая находится в виде несложных, хорошо растворимых соединений. Это подтверждается быстрым переходом в раствор 84 % фтора из листьев грузинского чая и 76 % - из листьев индийского. Японские ученые пришли к выводу о возможности содержания фтора в растениях и в почве не только в неорганической форме, но и в органической, по типу углероднофтористой связи (Власюк, 1969). У южноафриканского растения Dichapetalum toxkarium, а также у ряда других растений (Acacia georginae, Gastrolobium grandiflorum, Palicourea marogravii) обнаружено чрезвычайно токсичное вещество - фторацетат. Его синтез идет в молодых листьях, а ионы фтора запасаются в маленьких листочках, примыкающих к цветкам, где затем образуются длинноцепные фтористые жирные кислоты (Школьник, 1974). Несмотря на отсутствие явной необходимости фтора для растительного организма, его аккумуляция протекает весьма интенсивно. При проведении сравнительного анализа различных видов растений, произрастающих в зоне влияния завода и вне ее, обнаружено, что содержание фтора может увеличиваться на три порядка (Морозова, Комма, 1953; Илькун 1978; Голов, Каменщикова, 1985). Такое высокое поглощение не может не сказаться на жизненном состоянии растительности.
Растения поглощают фтор из атмосферного воздуха более интенсивно, чем любую другую загрязненную примесь, что определяется его хорошей растворимостью в воде и высокой реакционной способностью (Смит, 1988). Взаимоотношение воздействие-реакция слагается из двух процессов: поглощение загрязнителя и реакция растения на поглощенный загрязнитель. Первоначально токсические вещества накапливаются в покровных тканях, затем проникают в мезофилл листьев и адсорбируются оболочками клеток, выстилающих дыхательные полости и каналы (Тарабрин и др., 1986). В свою очередь, накопление в свободном пространстве ионов токсиканта выше определенного уровня приводит к постепенному разрушению целостности клеточных оболочек и нарушению нормального функционирования плазмалеммы. В результате токсикант проникает в цитоплазму, накапливается в жизненно важных органоидах клеток, в первую очередь - в хлоропластах. В.П. Тарабрин (1986) отмечает, что в результате этого происходит нерегулируемое поглощение токсических веществ.
Данные измерения содержания соединений фтора в кончиках листьев тюльпана и гладиолуса показали, что эта величина хорошо коррелирует с другими количественными параметрами, характеризующими некроз листьев (Постхумус, 1980). Видимые поражения листьев появляются при концентрации в воздухе менее 0,1 мг/м3 (Томас, 1962). Визуально различимыми признаками поражения листьев являются узкие светло-желтые некротические полосы, распространяющиеся по периферии листа. Хвоинки начинают повреждаться с кончиков. Толерантные растения способны выдерживать концентрации, превышающие 200 мкг/г. Для большинства растений, признанных чувствительными, такая концентрация обычно меньше 100 мкг/г. Единичные древесные растения могут накапливать свыше 400мкг/г фторидов без видимых последствий (Weinstein, 1977).
Многочисленные анализы растений и почвы показывают, что высокое содержание фтора в растениях вызвано в основном его поглощением из атмосферы и не может быть объяснено только его поступлением из почвы. Не обнаружено тесной зависимости между уровнем содержания фторидов в органах растений и естественным его содержанием в почве (Хальбваш, 1988). При внесении фторидов (50 мг/кг) в дерново-подзолистую супесчаную почву фтор, прежде всего, концентрируется в корнях, а затем, по степени убывания накапливаемой дозы, в нижних листьях, стебле, верхних листьях. В результате токсичность фтора не всегда сопровождается значительным увеличением его количества в листьях, а может проявиться при незначительном содержании в листьях, но при повышенной концентрации в корнях (Власюк, 1969).
Характер и глубина воздействия загрязнителя воздуха на растительность зависят от количества загрязнителя и от определяемой генотипом и условиями среды устойчивости растений. Так, увеличение содержания фтора на 59 % не отражается на продуктивности свеклы, в отличие от кукурузы (Пашова, 1980). В своем филогенезе свекла лучше других сельскохозяйственных культур приспособилась к повышенному содержанию солей и, по-видимому, является менее отзывчивой на повышенное содержание фтора. Несмотря на идентичность состава и концентрации вредных веществ в воздухе, в разных почвенно-климатических условиях растения накапливают неодинаковое количество токсических ингредиентов. Одновременно изменяется и предельный уровень безвредного накопления фитотоксиканта в тканях листа (Илькун, 1978). Благоприятные почвенные и климатические условия определяют высокую безвредную концентрацию фтора в листьях.
Способность фтора накапливаться в органах растений пропорционально содержанию в воздухе может использоваться для определения наличия загрязнения в воздухе и изучения его пространственно-временного распределения. Однако следует подчеркнуть, что накопление загрязняющих веществ существенно зависит от роста растений и условий произрастания. В связи с этим установление количественных взаимоотношений между загрязнителем и его влиянием, составляющих основу риск - прогнозов для выработки мер контроля загрязнения воздуха, может быть осуществлено лишь при выполнении ряда условий. Прежде всего, следует выбрать наиболее типичное место, однотипное по почвенному плодородию окружающей местности. При сильной расчлененности рельефа необходимо установление зависимости с учетом местоположения дерева.
В опытах с периодической газацией при постоянной концентрации вредных для растений ингредиентов менее тяжелые последствия не обусловлены уменьшением поступления токсикантов. Установлено, что у клевера лугового и тимофеевки при периодическом воздействии HF накапливалось в два раза больше фтора, чем у растений, находившихся в условиях постоянного воздействия (Гудериан, 1979). Вместе с тем, степень повреждения была равноценной. Ослабление вредоносного влияния при периодических экспозициях может быть связано с уменьшением его содержания в растении во время промежуточного, свободного от загрязнения периода за счет увеличения биомассы и, следовательно, разбавлением вредных соединений.
В настоящее время полная технологическая очистка промышленных выбросов заводов по электролитическому производству алюминия экономически невозможна. Роль живых организмов (растения, микробоценозы и пр.) в удалении токсичных веществ из активного участия в биосфере исключительно важна и незаменима. При этом их эффективность определяется всеми видами газоустойчивости, среди которых особое место занимает биохимическая, во многом определяющая физиологическую, анатомическую, феноритмическую, анабиотическую, популяционную, ценотическую и другие виды устойчивости.
Биохимическая толерантность растений к токсическим веществам складывается из ряда процессов:
- ограничение поступления за счет селективного поглощения ионов и понижения проницаемости мембран (Фуксман, Шуляковская, Конючкова, 1998). В то же время установлено, что, несмотря на большую сопротивляемость дугласии к поглощению фтора, деревья этой породы оказались более чувствительными к нему, чем ель европейская и сосна обыкновенная (Karolewski et al., 2000). Видимо, в растениях более эффективны другие нижеперечисленные механизмы;
- иммобилизация в неактивных формах (осаждение в виде труднорастворимых неорганических соединений, образование прочных комплексов);
- изменение характера метаболизма, адаптация к замещению физиологического элемента токсичным в энзиме;
- удаление ионов из растения при вымывании и выделении (Маховская, Илькун, 1980; Алексеева – Попова, Косицын, 1986; Кабата – Пендиас, Пендиас, 1989).
Накопление щелочных и щелочно-земельных элементов (К, Са, Mg) может увеличивать буферную емкость цитоплазмы и клеточного сока и способствовать нейтрализации поглощаемых анионов (SO22- и NO2- NO3-) и, возможно, тяжелых металлов (Рожков, Михайлова, 1989). Насыщенность клеток свободными минеральными катионами задерживает наступление в них необратимых изменений.
Антогонизмом между ионами железа и марганца, железа и цинка, цинка и меди (Барбер, 1988; Кабата – Пендиас, Пендиас, 1989) объясняется явлением снижения содержания цинка и марганца в ассимилирующих тканях растений на ближайших к металлургическим комбинатам точках (Черненькова, 2004).
Характер и глубина воздействия загрязнителя воздуха на растения зависят от количества токсичных веществ, их химических свойств, а также от определяемой генотипом и условиями среды устойчивости растений. Благоприятные почвенные и климатические условия определяют более высокую безвредную концентрацию фтора в листьях (Илькун, 1978). Наибольшую опасность представляют водорастворимые соединения фтора. Концентрация лабильного водорастворимого фтора в растении зависит от процессов поглощения, распределения, связывания в устойчивые комплексы и выведения. Поступающие в ткань газы могут связываться как органическими соединениями (Николаевский, 1979), так и минеральными, что выражается в зависимости повреждаемости листьев от суммарного содержания зольных элементов и повышении их количества в процессе накопления фитотоксикантов (Илькун, 1978). Наиболее устойчивыми являются комплексы с элементами, расположенными в больших периодах периодической системы со степенью окисления от 3 до 5 (Филимонова, 1977). Плохой растворимостью в воде и, следовательно, низкой подвижностью и токсичностью характеризуются соединения фтора с кальцием, магнием, медью, железом (в порядке увеличения растворимости). KF, NaF, Na2SiF6, CuSiF6, 6Н20 отличаются высокой растворимостью (Габович, 1957).
Среди методов биологической очистки особое место занимает биофильтрация токсичных элементов в биомассе ткани растений. Установлено эффективное связывание стронция в процессе фильтрации растворов на колонках из измельченной ткани водяного папоротника Azolla с вытеснением ионов калия, натрия, магния и кальция (Cohen-Shoel, 2002). При этом ионы калия и натрия вытеснялись на ранних, а более прочно связанные ионы кальция и магния - на поздних стадиях фильтрации. Предварительная нагрузка связывающих мест металлов ионами калия способствовала более эффективному удалению тяжелых металлов из растворов при их последующей фильтрации через растительную биомассу.
В связи с тем, что токсичность фтора определяется растворимостью его соединений, был разработан способ, основанный на способности растений связывать поступающий фтор в неподвижные малотоксичные соединения. Растертую навеску свежих листьев заливали разбавленным раствором фтористого натрия (0,0221 %). Для исключения стороннего связывания фтора растирание проводилось без добавления стекла или кварцевого песка. Навеска листьев была получена из смешанного образца от 10 экземпляров древесных растений, взятых в относительно чистом от атмосферного загрязнения районе.
Потенциометрическим методом с фторселективным электродом определяли равновесную концентрацию ионов фтора. Разница между исходной концентрацией и остаточной - количество фтора, переведенного в недиссоциируемые соединения. Количество ионов фтора, переведенного в неподвижные соединения, служит оценочным параметром, характеризующим устойчивость растений к содержащемуся в воздухе фтору.
Были выбраны древесные виды, существенно различающиеся по степени газоустойчивости. Выводы об устойчивости были сделаны на основании наших исследований (учитывалось состояние, некроз листьев, радиальный прирост, линейный прирост побегов). Сосна обыкновенная, ель сибирская, пихта сибирская из-за ярко выраженных признаков повреждения, часто приводящих к гибели, были отнесены к неустойчивым видам. В свою очередь, тополь бальзамический, ива корзиночная, кизильник черноплодный, вяз приземистый характеризуются слабыми повреждениями даже в условиях высокого загрязнения выбросами алюминиевого завода. Береза повислая, тополь дрожащий, жимолость татарская имеют среднюю и сильную степень повреждения.
Химический состав растений, произрастающих на одной территории, может существенно отличаться из-за разных потребностей организма в минеральных элементах. Составляющие элементы находятся в строго сбалансированном состоянии. "Поскольку каждый из ионов выполняет некую специфическую для него функцию, то, естественно, ионный гомеостаз должен характеризоваться определенным отношением между отдельными ионами, и отклонения в таком соотношении обычно сопровождаются изменением клеточной функциональной активности" (Гродзинский, 1983). Нарушение ионных равновесий во внутриклеточном растворе создает предпосылку общего расстройства стройной системы ультраструктуры. Физиологическое равновесие ионов в клетке играет первостепенную роль в поддержании структурной целостности и функционирования организма. Первопричиной проявления токсического действия солей является антагонистическое и синергетическое взаимоотношение различных ионов в растении (Азимов, 1974). Из этого следует, что чем эффективнее осуществляется в растении перевод токсичных ионов в неподвижные соединения, тем устойчивее оказывается данный вид.
Хорошим параметром, позволяющим оценить способность растительного организма связывать поступающий активный фтор в неподвижные соединения (например, фтористый кальций), может служить отношение общего количества фтора к его экстрагируемой части (Фо/Фэ). В целом у устойчивых видов во всех органах растений данное отношение существенно больше. Отношение Фо/Фэ увеличивается с уменьшением уровня загрязнения для всех изученных видов, оно выше в коре и в большей степени - в древесине. Наблюдается увеличение показателя и с утолщением корней.
Существенное влияние на концентрацию адсорбированного листьями фтора оказывает пространственное местоположение дерева в насаждении и возраст листьев. Так, нами обнаружено, что концентрация фтора в листьях тополя, растущего в групповых посадках на заветренной стороне, составляет 64 % от содержания на наветренной стороне. Листья, взятые с нижней части побега тополя, содержали 2,5 г/кг фтора, в то время как молодые листья - 0,5г/кг в абсолютно сухом состоянии.
В литературных источниках отмечается, что без каких-либо ограничений, связанных с проблемами различного прироста биомассы, в качестве индикатора может использоваться только древесная кора (Перельман, 1973). С нашей точки зрения, данное положение не всегда верно: в то время, как в коре побегов тополя, средних по приросту, содержится валового фтора 1,92 г/кг абсолютно сухой массы и экстрагируемого – 0,72г/кг; в коре побегов, отличающихся в несколько раз большим приростом, содержится соответственно 0,54 и 0,17 г/кг. Полученные данные подчеркивают не только необходимость строгой регламентации при отборе образцов на загрязнение фтором, но и доказывают важность процессов регенерационной устойчивости.
Сеянцы караганы древовидной и жимолости татарской, выращенные под факелом алюминиевого завода (0,5 км), существенно отличаются между собой по газоустойчивости, что хорошо проявляется в ростовых процесcax и степени некрозов листьев. По содержанию фтора в листьях различие между особями невелико (табл. 6.1). Существенно больше фтора, особенно его экстрагируемой части, у жимолости - в коре и древесине. Наибольшая разница в концентрации токсиканта обнаружена при сравнении химического состава корней, особенно тонких. Так, содержание фтора в корнях < 0,5 мм у жимолости в 2,4 раза больше, чем у караганы. Возможно, это объясняется более высокой фторнепропускающей способностью корней караганы.

Содержание фтора в органах сеянцев, растущих под факелом алюминиевого завода (0,5 км), г/кг

Примечание. Fо*- фтор общий; Fэ -фтор воднорастворимый; Fо/Fэ - отношение

Интересные результаты прослеживаются из анализа содержания фтора в органах растений (табл. 6.2).
В условиях высокого содержания фтористых соединений в воздухе их преобладающая часть oбнapужена в листьях (до 80%).
Затем в ряду уменьшения концентрации фтора располагаются кора и древесина. При фоновом уровне загрязнения распределение более равномерное.
Под факелом завода у видов с низкой устойчивостью (береза повислая, черемуха обыкновенная) процентное содержание фтора в древесине значительно выше (6,9 % общего и 4,6 % экстрагируемого от суммарного содержания в листьях, коре и древесине), чем у устойчивого тополя (соответственно 1,4 и 0,8 %).
При определении содержания фтора в сформировавшихся почках выявлено его высокое содержание у черемухи и низкое - у тополя, особенно экстрагируемой части (соответственно 0,21 и 0,02 г/кг), что отражается на формировании растущих листьев. Меньшее количество экстрагируемого фтора, то есть его активных воднорастворимых соединений, свидетельствует о способности устойчивых видов образовывать нерастворимые комплексы.

Таблица 6.2

Содержание фтора в различных органах растений (30.08) в зависимости от условий произрастания

Биологический вид	Варианты	Содержание фтора, г/кг воздушно-сухой массы
		листья			кора			древесина			почки
		Fо *	Fэ	Fо/Fэ	Fо	Fэ	Fо/Fэ	Fо	Fэ	Fо/Fэ	Fо	Fэ	Fо/Fэ
Тополь бальзамический	1*	0,146	0,056	2,6	0,082	0,023	3,6	0,071	0,016	4,4	0,096	0,020	4,8
	2	4,530	2,650	1,7	1,915	0,715	2,7	0,089	0,028	3,2	0,867	0,103	8,4
	3	0,795	0,410	1,9	0,363	0,130	2,8	0,096	0,028	3,4	-	-	-
Черемуха обыкновенная	1	0,083	0,041	2,0	0,031	0,012	2,6	0,022	0,007	3,1	0,050	0,015	3,3
Черемуха обыкновенная	2	1,625	1,120	1,5	0,257	0,125	2,1	0,139	0,06	2,3	0,483	0,206	2,3
Береза повислая	1	0,098	0,046	2,1	0,034	0,012	2,8	0,220	0,06	3,7	-	-	-
	2	3,400	2,300	1,5	0,980	0,440	2,2	0,114	0,04	2,9	-	-	-
	3	0,899	0,580	1,6	0,442	0,180	2,5	0,064	0,021	3,0	-	-	-

Примечание: 1* - контроль; 2- под факелом 0,5 км от завода; 3 – 2,5 км от завода; Fо *– валовой фтор; Fэ – воднорастворимый фтор; Fо/Fэ – отношение

Данные результаты подчеркивают важность процессов локализации токсикантов в листьях, предупреждающих их миграцию по растению. В дальнейшем в процессе опада организм освобождается от избытка соединений фтора.
Сложный состав выбросов алюминиевого завода, поступление в растительную клетку, кроме фтора, множества других элементов сопровождается более сложными изменениями химического состава растений. Так, присутствие в воздухе сернистого газа предопределяет накопление листьями катионов тяжелых металлов (Кондратюк и др., 1980; Игнатенко, Чепиженко, 1984;). В свою очередь, поступление тяжелых металлов влияет на аккумуляцию ряда других элементов.
Поступление фтора в растительную клетку сопровождается нарушением ряда биохимических процессов: изменением проницаемости клеточных мембран, конкуренцией фтора с жизненно важными метаболитами. Повышенное содержание фтора снижает абсорбцию отдельных питательных элементов, однако отмечен и синергизм, например с серой, а с фосфором обнаружен как синергизм, так и антагонизм (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Корни обработанных фтором растений риса начинают меньше поглощать из питательного раствора азот, фосфор, калий. Поглощение кальция и марганца остается неизменным. Увеличивается поглощение железа, алюминия и магния (Yumoroe, 1962). Предлагается избегать избыточных доз азота, а при его избытке обогащать почву кремнием и опрыскивать растения известковым раствором.
Повышенные дозы фтора уменьшают поступление кальция и фосфора и слабо влияют на поступление калия (Семендяева, Жеронкина, 1988), накопление фторидов ведет к снижению содержания магния (Курова, Саидова, 1985). В ряде других работ делается заключение об увеличении содержания кальция в местах образования некрозов за счет миграции его из других частей растения (Garrec, 1982). В фундаментальной работе Г.М. Илькуна (1978) отмечается, что наибольшие изменения происходят в поглощении корнями кальция, в меньшей мере усиливается поглощение калия, магния. Количество натрия возрастает лишь у видов, приспособившихся к произрастанию на засоленных почвах. Наблюдается достоверное увеличение зольности листьев. Противоречивые результаты, возможно, объясняются разными степенями загрязнения, условиями роста и изучаемыми видами.
Отношение валового содержания фтора к экстрагируемому широко изменяется в зависимости от вида растения. При этом для устойчивых видов характерно большее увеличение содержания валового фтора по сравнению с экстрагируемым. Так как токсичность вещества для организма определяется скоростью его метаболизма и нейтрализации, то перевод подвижных ионов фтора (экстрагируемый водой) в неподвижные (разница между концентрацией валового фтора и экстрагируемого) может служить оценочным параметром, определяющим устойчивость растений. Отмечена разная газоустойчивость древесных растений к выбросам алюминиевых заводов (табл. 6.3)

Оценка газоустойчивости древесных растений к выбросам алюминиевых заводов по степени сорбции фтора

В условиях атмосферного и почвенного загрязнения выбросами алюминиевого завода устойчивость растений к фтору во многом зависит от концентрации в органах экстрагируемого фтора. Это определяется регенерационными процессами, высокой барьерностью корней, а также способностью связывать поступающие токсичные вещества в неподвижные, не участвующие в физиологических процессах соединения, как за счет существующего баланса свободных ионов, так и за счет их дополнительного поглощения с последующим удалением во время осеннего опадения листьев.
Разработан экспресс-способ определения устойчивости древесных растений к выбросам промышленных предприятий, содержащих фтористые соединения. Способ основан на определении степени сорбции ионов фтора растертой навеской листьев.

Главная

Исследовательские группы

Студенту

6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ СОРБЦИЯ ИОНОВ ФТОРА ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ