Фітомоніторинг забруднення атмосфери

Забруднюючі атмосферу речовини поділяють на первинні - викиди джерел забруднень (вуглеводні, альдегіди, етилен тощо) та вторинні -фотохімічні оксиданти, що утворюються вже в атмосфері (озон, двоокис азоту, пероксіацетилнітрати).

Вплив фотохімічних оксидантів на рослини навіть сильніший, ніж первинних забруднень, а їх вміст в атмосфері залежить від часу доби, метеорологічних умов та концентрації первинних забруднюючих речовин. Найнижчий вміст в ранкові часи, коли відбувається найменший викид в атмосферу промислових газів, а найвищий в дві-три години дня. В суміші вторинних забрудників, найтоксичнішим елементом є озон. Відомо, що його концентрація залежить від сонячного світла і співвідношення NO₂/NO. Другою за токсичністю речовиною, що забруднює атмосферу, вважають етилен, концентрація якого 10^-9 спричинює незворотні явища в рослинному організмі.

На відповідну реакцію рослини на вплив фотооксидантів впливають наступні фактори:

1.генетично-зумовлені пороги пошкодження або фізіологічні реакції (швидкість росту, цвітіння, плодоношення, утворення насіння, урожайність);

2.вік рослини, або ступінь її зрілості;

3.умови культивування, включаючи запас поживних речовин, вміст вологи в грунті, освітлення, температуру, відносну вологість повітря та тип грунту;

4.концентрація забруднюючої речовини і тривалість впливу (характерний ефект “доза-відповідь”), відповідно гостра або хронічна дія;

5.метеорологічні фактори (швидкість і напрямок вітру, кількість опадів тощо).

Всі вищенаведені фактори інтегруються рослиною, яка певним чином реагує на вплив певної забруднюючої речовини.

Розробка системи фітомоніторингу потребує якщо не обліку, то хоча б знання усіх перерахованих вище факторів. Крім того, дослідник повинен знати реакцію рослини на хвороби та шкідників, щоб відрізняти біогенні симптоми від ознак пошкодження або інших наслідків, що спричинені впливом забрудненого повітря.

Фактори, дія яких на рослину подібна до дії забруднюючих повітря речовин (фактори, які заважають дослідженням):

1.Біологічні (бактерії, гриби, комахи, кліщі, нематоди, віруси, генетичні аберації).

2.Фізичні (світло, механічні пошкодження, поживні речовини, рН, температура, вода, вітер, пестициди, солі).

Вплив полютантів на організм рослини, як правило, неспецифічний, але, в деяких випадках, у рослин можна спостерігати і специфічні реакції.

До неспецифічних реакцій рослин на забруднення атмосферного повітря можна віднести наступні:

-зниження загальної життєздатності рослин;

-зниження резистентності до хвороб і консументів;

-перерозподіласимілятів на репарацію пошкоджень;

-зміна інтенсивності фотосинтезу та дихання;

-зміна ритму транспірації;

-мутагенна дія.

 

Під час вивчення ефектів впливу атмосферних забруднень на рослини слід охарактеризувати їх за наростанням інтенсивності концентрацій. Виділяють такі концентрації:

1. фонова концентрація – нормальний (допустимий за ГДК) вміст речовин;

2. мала концентрація – незначно перевищує фонові значення, викликає невеликі зміни основного метаболізму, які можна назвати адаптивними (рослина завжди має здатність пристосуватися до певних перебудов і широко їх використовує під час адаптацій до незначних коливань стану довкілля);

3. середня концентрація – та, що в 10-100 разів перевищує фонову, її токсичний вплив стає помітним і призводить до кумулятивного ефекту, що відбивається у зниженні продуктивності;

4. висока концентрація –та, що призводить до пригнічення рослини і неможливості відтворення потомства виду, випаданню цього виду із екосистеми, при цьому коефіцієнт розмноження особини стає меншим одиниці, що робить неможливим відтворення виду навіть за умови усунення екосистем них факторів типу конкуренції, впливу хвороб тощо;

5. летальна концентрація – та, що призводить до чітко виражених гострих уражень, насамперед, пожовтіння листків, часткового або повного опадання листків, загибелі рослини.

Слід зауважити, що ефект впливу полютантів на фітоценози не є простою сумою ефектів впливів на види, що їх складають. Якщо вплив незначно відрізняється від фонових значень, це зумовлює фізіологічні, морфологічні та інші перебудови в середині виду. Якщо ж вплив значно відрізняється від фонового, то сукцесія призводить до нового клімаксового стану, що характеризується іншим видовим складом, де види будуть максимально пристосовані до нового середовища. Відомо, наприклад, що навіть при незначному перевищенні фонової концентрації забруднень(в 1-10 разів) в атмосфері, починається процес випадання із екосистем лишайників та чутливих видів грибів. Так, за останні 20 років в Західній Європі і Америці кількість видів мохів і лишайників скоротилася на 25-30%.

 

Розглянемо детальніше забруднювальні речовини і їх вплив на рослини.

Основні забруднювальні речовини, що діють на рослину черезповітря (ушкодження рослин-індикаторів різними ЗР систематизовані втаблиці 1).

До фотохімічних оксидантів (речовин, для початку реакціїспонтанного утворення і взаємодії яких необхідне сонячне світло)відносять: озон, пероксіацетилнітрат(ПАН) і оксиди азоту (NO2, NO, N2O іт. ін.).

Озон (О₃) – газоподібна забруднююча речовина, яка утворюється внаслідок складної реакції між окислами азоту за участю сонячного світла. Озон потрапляє в рослини через листя в процесі звичайногогазообміну між рослинами і навколишнім середовищем. Найчутливіше до дії озону листя, яке формується, але найпомітніше він уражає старі листки рослини.Загальна ознака ушкодження озоном – плямистість, яка вказує на його гостру дію. Ознаки ушкодження рослин озоном різні й залежать від виду та сорту рослини, концентрації озону, часу експозиції (дії світла) та від багатьох інших факторів. Специфічна ознака гострої дії озону на рослину - поява цяточок, які з часом зливаються й утворюють плями на поверхні листка. Цяточки можуть бути білими, чорними, червоними або червонувато0пурпуровими. За низьких концентрацій озону листя набуває червоно-бурого або бронзового кольору, що як правило, призводить до хлорозу, старіння і опадання листя.

ПАН також проникає в листи через устячка, у результаті чого навнутрішній стороні листів виникають водянисті плями, що потім стаютьглянсовими, сріблистими чи бронзовими.

Оксиди азоту (NOx) – газоподібні забруднюючі токсичні сполуки NO,NO₂,N₂O. У забрудненому повітрі вміст оксидів азоту зумовлює утворення озону. Однак у багатьох випадках концентрація оксидів азоту надто мала, щоб помітно ушкодити рослину.Низькі концентрації NOxнавіть стимулюють зростання рослин, листя набуває більш темного кольору. Проте в деяких випадках виникає неспецифічний хлороз із наступним пошкодженням та опаданням листя.

Діоксид сірки (SO2)- забруднююча речовина, яку викидають у повітря теплові електростанції і деякі промислові підприємства.

SO₂потрапляє в рослину й окислюється довисокотоксичного сульфіту SO₃, а потім повільно – в менш токсичнийсульфат SO₄. При низьких концентраціях SO₂ у повітрі SO₃практично повнісю окислюється до сульфату і рослини не страждають. За високої концентрації SO₂ на SO₃перетворюється швидше, ніж SO₃на SO₄, внаслідок чого відбувається гостре ушкодження – листя знебарвлюються між жилками (зявляється бурий або білий колір) або на краях деяких листочків спостерігається ефект «ялинки». Ознакою хронічної дії діоксину сірки є хлороз, або знебарвлення листя із зміною їх кольору до червоно-бурого; у хвойних рослин – почервоніння голок зверху вниз.

Фториди (джерело – плавильні заводи та іншіпідприємства подібного профілю) – перебувають в атмосфері у вигляді газу, твердої домішки або газоподібного фториду, адсорбованого іншою твердою речовиною. Фтористий водень HF у вигляді газу токсичніший ніж у твердому стані. Хронічна дія HF викликає у рослин хлороз уздовж прожилок листя, гостра дія HF – некроз країв листя, який поглинається з верхньої частини листкаі поширюється до його основи, внаслідок чого листя може деформуватися або скручуватися. У хвойних рослин з’являються голки з обпаленими краями або обпалені повністю. Особливістю фториду є його здатність накопичуватися в листі, особливо на краях і верхівках. Для оцінки ступеня ушкодження рослини HF застосовують аналіз тканини листка.

Другорядні забруднюючі речовини, які діють на рослини.

Аміак (NH₃) надходить в атмосферу в результатіаварій на виробництві,втрати з трубопроводів. Він особливо вражає рослини поблизу місця аварії. Як і у разі дії NOx рослини ушкоджуються тільки за високої концентрації аміаку. Найчутливіше до дії NH₃листя середнього віку, яке може змінити колір із тьмяно-зеленого до бурого або чорного. Дія низький концентрацій аміаку зумовлюєпояву на нижній стороні листка глянсуватості або сріблястості.

Бор (B) – речовина сірувато-чорного кольору (джерело – виробництво скловолокна, печей ірефрижераторів). Її дія на рослини поблизу джерел викидів, зумовлює некроз на краях листя та між жилками, а також плямистість. Листя набуває чашоподібної форми, деформується, особливо старе. Гострі ушкодження можливі на відстані до 200 м від джерела.

Хлор(Сl). Д жерела надходження в атмосферу – целюлозно-паперове виробництво, привикористанні як окислювача, аварії при транспортуванні. У зоні розливу хлору внаслідок аварії при транспортуванні рослини особливо ушкоджуються. На краях листка зявляються плями від темно-зеленого до чорного кольору, які потім знебарвлюються до білого або стають бурими. Ознаки ушкодження листя між жилками подібні до ознак спричинених дією SO₂.Можлива також поява цяточок, що нагадує результат впливу озону. У хвойних може виникати некроз кінчиків голок і плямистість.

Етилен (C2H4) – природній рослинний гормон, який утворюється при ушкодженні рослин різними забруднювачами повітря. Він позначається на процесах цвітіння, дозрівання плодів, старіння та опадання. Етилен також присутній у вихлопних газах автотранспорту і є забруднюючою речовиною. До ознак ушкодження рослин етиленом належать погіршення росту, передчасне старіння та опадання листя, погіршення цвітіння, передчасне розпускання листків, їх скручування.

Хлористий водень (HCl, безколірний димучий в повітрі газ з різким запахом) та соляна кислота (розчин хлористого водню у воді, безбарвна паруюча в повітрі рідина) надходить в атмосферу з локальних джерел. Типовою реакцією на дію хлористого водню водню є міжжилковий та краєвий хлороз, після чого настає некроз, який проявляється в зміні кольору від жовтого, бурого, червоного до чорного. Межі некротизованих ділянок можуть бути від білого до кремового кольору. Ознаками ушкодження рослин аерозолем соляної кислоти вважають появу цяточок від червоно-коричневого до чорного кольору, а соляною кислотою – листкову плямистість, причому плями облямовуються смугою білого або кремового кольору.

Тверді частки (пил) і важкі метали. Вони можуть осідати на рослини,засмічувати і проникати крізь листя, негативно впливати на запилення квітів,розмір і стан листів через вплив на рНґрунту, впливати на склад лісовихнасаджень. Дрібні частинки можуть осідати на листках, знижуючи світло поглинання і відповідно фотосинтез.

Важкі метали з атмосфери, осідаючи на рослину або земну поверхню, мають тенденцію накопичуватися, особливо у верхніх шарах грунту, звідки можуть потрапляти у рослину.

Свинець найбільш розповсюджений ВМ, який часто зустрічається вповітрі і ґрунті. Природне джерело надходження свинцю – вивітрюваннягірських порід. При виплавленні 1 т свинцю в атмосферу викидається до25 кг Рb. Він накопичується в грунті, але чітких доказів відносно того, що він уражає рослину, немає.

Миш'як (відходи медичної і металургійної промисловості,виробництво добрив, згоряння вугілля). Міграція As в ґрунті відбуваєтьсябільш інтенсивно, якщо він надходить у великих кількостях.

Кадмій – Cd ( результат згоряння дизельного палива, при плавленніруд і внесенні добрив). Максимальна адсорбція Cd відбувається в ґрунті збільшою ємністю поглинання, значним вмістом гумусу, високимпоказником рН.

Цинк – Zn (відходи металургійного виробництва) більш мобільний,ніж свинець і кадмій. Висока міграція в еродованих ґрунтах в умовахпідвищеної вологості.

За наявними даними Zn, Cd і Cu викликаютьміжжилавий хлороз з наступним почервонінням і пожовтінням листівдерев поблизу джерела в середині літа.

Ртуть – єдиний ВМ, що знаходиться в рідкому стані принормальній температурі, один із найнебезпечніших канцерогенів.Природне джерело – вивітрювання гірських порід – близько 800 т.Вона вражає майже всі рослини, але особливо чутливою до ртуті є троянди, на листах якої з'являються бурі плями, листи жовкне, а потім обпадає.

Для біоіндикації ВМ використовують, в основному, мохи ілишайники, що абсорбують ВМ з повітря і атмосферних опадів. Мохи єкращими індикаторами. У Швеції, Фінляндії, Норвегії складені карти, щопоказують регіональні розходження у випаданні Cd, Сu, Fе, Нg, Ni, Pb і Znз атмосфери за результатами аналізу мохів. Концентрація Рb у мохахзбільшується при випаданні атмосферних опадів, зменшується зізбільшенням відстані від доріг і міст. Різні види мохів по-різному реагуютьна вміст того чи іншого ВМ. Сфагновий мох добре абсорбує Сd, Pb і Zn,інші види – накопичують Нg. Бородатий мох (Мексиканська затока) єактивним акумулятором Рb.

Суміші забруднюючих речовин. У повітрі, яке оточує рослини за звичайних умов, міститься кілька потенційних фітотоксичних забруднювачів. Суміші забруднюючих речовин можуть спричинити ті самі ушкодження рослин, що й окремі забруднювачі, а суміш газів може змінювати порогову чутливість рослин.

Отже, забруднення довкілля хімічними сполуками призводить до часткової деградації рослинного покриву, знижуючи його біомасу та природоохоронні функції.

 

Таблиця 1

Ушкодження рослин від різних шкідливих речовин

ЗР	Ушкодження	Рослина-індикатор
О3	Плямиметалевогокольору; рудувато-біліплями; жовто-червонікінчикиголок; хлороз	Шпинат, картопля, тютюн, виноград, огірок, цибуля, хвойні, ясен, квасоля, іпомея
ПАН	Водянисті, потім глянсові, сріблясті, бронзові плями; хлоротичні смуги на листах	Салат, квасоля, петунія, злакові, узколистні трави
NОx	Уповільнення росту і нагромадження сухої речовини Знебарвлення країв листів	Молодітомати, барвінок
SO2	Біфаціальнезнебарвленняміж жилками, ефект «ялинки»;	Ожина, малина, виноград, овес, береза вишнева, конюшина, ясен американський, ревінь, капуста, шпинат, тютюн, яблуня, персик
SO42-	Червоно-бурий колір, хлороз	Сосна, ялина
NO2 + SO2	Зниження врожайності злаків іпасовищних трав	Овес, соєвібоби, тютюн
O3 + SO2	Хлороз	Люцерна, капуста, квасоля, соя, шпинат, тютюн, томати
Фториди	Хлороз уздовж жилок аболистів; гострий некроз по краяхлистів і деформація; обпаленіверхівки	Гладіолус, тюльпан, ірис, лілія,хвойні
NH3	Тьмяно-зелені, бурі, чорні листи,глянець на нижнійстороні листа	Яблуня
B	Крайовий і міжжилавий некроз, плямистість листів, чашоподібна форма і деформація листів	Горіхсірий, жимолость, клен, шовковиця, дикий виноград
Cl2	Знебарвленнялистів по краях відчорногодобілого, міжжилавий некроз (SO2), цяточки (O3)	Гірчиця, соняшник, Хвойні
Етилен,пропилен	Сповільнюєзростання; погіршенняцвітіння, плодоносіння, «скручує»листи	Орхідеї, томати, хризантеми (утеплицях)
HCl	Міжжилавий і крайовий хлороз,некроз	Слива

 

 

Стійкі до забруднення види рослин сприяють очищенню атмосферного повітря. Це залежить від поглинальної здатності окремих видів та їх морфо-функціональних пристосувань. Наприклад, високу здатність поглинати гази має караган, а низьку – липа, клен. З’ясовано, що низька поглинальна здатність рослин пов’язана із значним опушенням їх листків, яке перешкоджає вільному надходженню газів до тканин листка. Однак, опушення листків, заважаючи газообміну між рослиною і повітрям, сприяє видаленню із атмосфери пилу. Тому для озеленення промислових зон необхідно враховувати ці відмінності і відбирати рослини як з опушенними так і гладенькими листками відповідно до реальних потреб певних територій.

Під час вивчення газопоглинальної здатності рослин, необхідно розрізняти поняття інтенсивності і ємності газопоглинання.

Інтенсивність поглинання – це кількість газу, що поглинається рослиною, або певною площею листка за одиницю часу, а ємність поглинання – це кількість газу, яку рослина поглинає за весь період вегетації.

В листках рослини відбувається асиміляція поглинутих речовин і відтік асимілятів в інші органи.

Детоксикація (нейтралізаціяабовиведення) шкідливих речовин у рослині відбувається різними способами:

- цитоплазма рослинних клітин зв’язує деякі шкідливі речовини, роблячи їх неактивними;

- токсиканти перетворюються в рослинах на нетоксичні продукти, які включаються до загального метаболізму рослинних клітин;

- корені рослин виділяють деякі шкідливі речовини, поглинуті надземною частиною рослин, наприклад сірковмісні сполуки.

Різні фітоценози відіграють неоднакову роль в очищенні атмосфери від шкідливих домішок. Так, наприклад на 1 га лісу газообмін в 3-10 разів вищий, ніж на полі. Деревні насадження збільшують турбулентність повітря, сприяють переміщенню повітряних течій, внаслідок чого забруднюючі речовини швидше розсіюються.

Різні види дерев також мають неоднакову здатність поглинати гази. За даними Ю.З.Кулагіна 10 кг листя різних видів дерев поглинає SO₂, відповідно тополя – 180 л, ясен –140 л, в’яз –120 л, липа –100 л, клен – лише 20 л. Відмінності в газопоглинальній здатності рослин слід враховувати при створенні санітарно-захисних зон. Є деякі види рослин, які відрізняються не тільки високою здатністю до поглинання газів, а й одночасно є стійкими до цих газів. Саме такі рослини слід використовувати для створення лісозахисних смуг.

З’ясовано, що швидкість поглинання газів рослиною залежить від багатьох факторів:

-вологості повітря (чим вища вологість, тим швидше відбувається поглинання газів;

-опушенння листків (краще поглинають гази гладенькі листки без опушення і кутикули);

- ступеня оводненості листків (краще поглинають гази листки в стані повного тургору);

-інтенсивності освітлення (на світлі поглинання газів прискорюється);

-температури (підвищення температури прискорює поглинання газів).