Растения — индикаторы

Кислотные дожди и их влияние на растения

Охрана природы на современном этапе подразумевает не только сохранение отдельных организмов и сообществ, но и сохранение естественных процессов поддержания и регуляции круговорота веществ и энергии в биосфере, обеспечивающих продолжение жизни на земле. Благодаря растениям создаются условия, необходимые для существования всех других живых организмов, включая человека. Они стоят у истоков всех биогеохимических, экологических и энергетических процессов в биосфере, являясь одним из наиболее важных компонентов, определяющих благополучие биосферы и жизни на нашей планете.

Техногенный путь развития нашей цивилизации привёл к значительной нагрузке на окружающую природу, стабильность которой в промышленных регионах часто бывает подорванной. Воздух, загрязнённый промышленными выбросами, вредно влияет на природную среду. Влияние загрязнённого воздуха на растения происходит как путём прямого действия газов и пыли на ассимиляционный аппарат, так и путём косвенного воздействия через почву. Особо негативным является действие кислых газов, которые непосредственно приводят к отмиранию отдельных органов растений, ухудшению роста и урожайности, а также качества сельскохозяйственной продукции. Накопление же вредных веществ в почве способствует уменьшению почвенного плодородия, приводит к гибели полезной микрофлоры, нарушению минерального питания.

В результате загрязнения атмосферы значительно повреждается растительность. Во многих городах и вблизи них исчезают сосна и другие породы деревьев. Хвойные растения являются хорошими индикаторами загрязнения воздуха. Они весьма чувствительны к его чистоте, и поэтому не очень хорошо чувствуют себя в городах. Биоиндикатором чаще всего служит сосна как наиболее широко распространённая культура. В зонах сильного загрязнения её хвоя приобретает тёмно-красную окраску, в хвоинках накапливаются ядовитые вещества, устьица их забиваются копотью, а затем хвоя отмирает и опадает, просуществовав всего год при норме три-четыре года. В северном полушарии миллионы гектаров хвойных лесов деградируют под воздействием промышленных газов.

Благодаря поглотительной деятельности растений, почвенной и водной среды происходит очищение атмосферного воздуха, однако возможности этих систем не безграничны. Накопление углекислого газа в атмосфере привело к «парниковому эффекту», последствия которого с каждым годом начинают проявляться всё рельефнее, вызывая необычные природные явления, нарушая привычный ход погодно-климатических условий. Причинами роста концентрации углекислого газа является как возрастание объёмов потребления, сжигания и переработки топлива и углеродосодержащих материалов, так и уменьшение годичной продуктивности растений в наземных и водных экосистемах. Последнее вызвано заменой более продуктивных естественных лесных фитоценозов искусственными и менее продуктивными сельхозугодьями и подавлением фотосинтеза у растений под влиянием повышения фона загрязнения воздуха, воды и почвы. Агроценозы (сообщества сельскохозяйственных растений), даже самые высокоурожайные, уступают естественным лесным фитоценозам (растительным сообществам) по суммарной биологической продуктивности, а следовательно, фотосинтезирующей деятельности, которая обеспечивает утилизацию углекислого газа и регенерации кислорода.

Растения более чувствительны к различным газам, чем животные и человек. Большая чувствительность растений связана с большей скоростью проникновения газа и автотрофным характером их метаболизма. Известны чувствительные растения-индикаторы, не выносящие даже очень слабого загрязнения воздуха. Под влиянием очень слабых концентраций сернистого газа и других промышленных загрязнителей первыми исчезают из состава фитоценозов мхи и лишайники. К действию фтора весьма чувствительны гладиолусы (Gladiolus sp.), аммиака — подсолнечник (Helianthus annuus), сероводорода — шпинат (Spinacea oleracea) и горох (Pisum sativum), полициклических ароматических углеводов — недотрога (Impatiens noli-tangere), тяжёлых металлов — фасоль (Phaseolus vulgaris).

Из всех примесей, оказывающих вредное воздействие на растительность, самым изученным является сернистый газ. Если сравнивать чувствительность разных видов растений к сернистому газу, приняв чувствительность люцерны за 1, получим данные, которые представлены в таблице 9. Сама люцерна повреждается при концентрации сернистого газа, равной 3,3 мг/м³ при длительности воздействия 1час.

Данные таблицы наглядно показывают, почему наилучшим растением-индикатором на сернистый газ является сосна. Огурцы также относятся к группе растений, чувствительных к сернистому газу, и по их состоянию после дождя можно определить, был ли он кислотным.

Растения имеют различную чувствительность к примесям как от их концентрации, так от продолжительности их воздействия. При небольших концентрациях сернистого газа растения могут повреждаться при большей продолжительности времени воздействия, так, например, при концентрации больше 0,2 мг/м³ растения могут повреждаться в течение месяца. При уменьшении времени воздействия концентрация веществ, приводящих к повреждению, увеличивается. Так, кратковременное, до 5 минут, резкое увеличение концентрации (которое может наблюдаться при залповых выбросах и при аварии) может привести к повреждению и гибели растительности. Однако зависимости эти ещё недостаточно изучены. Нередко отмечаются случаи повреждения деревьев, особенно хвойных, при весьма малых концентрациях сернистого газа.

При взаимодействии продуктов сжигания ископаемого топлива — окислов серы и азота — с атмосферной влагой образуются серная и азотная кислоты. Тогда как показатель рН дождевой воды, находящейся в равновесии с углекислотой, в незагрязнённой атмосфере равен приблизительно 5,6, то в индустриальных районах промышленные газы снижают рН дождевой воды до 4-4,5, а то и меньше 4. Такие кислотные дожди неблагоприятно влияют на растения, животных и человека. Особо страдает от кислотных дождей природа северных озёр с мягкой водой. Такая вода не имеет буферных свойств, присущих жёсткой воде, в которой карбонаты нейтрализуют кислоты. Сильное подкисление нарушает жизненные процессы живых организмов этих озёр, делая их даже безжизненными.

Подкисление почвы под влиянием атомосферных загрязнений приводит также к изменению видового разнообразия сенокосных угодий и естественных экосистем. Для сельскохозяйственных площадей важно, чтобы в почве имелось достаточное количество кальция, необходимого для поддержания рН в оптимальных пределах, обеспечивающих протекание реакций обмена ионов, насыщения коллоидов и поддержания рыхлости почвы.

Зелёные контролёры

Мониторинг — это слежение за состоянием окружающей среды с целью предупреждения критических ситуаций, вредных и опасных для здоровья человека. Такие специальные наблюдения позволяют выделить негативные антропогенные воздействия на биосферу.

При экологическом мониторинге загрязнений использование растений-индикаторов часто даёт более ценную информацию, чем прямая оценка загрязнения приборами, так как первые реагируют сразу на весь комплекс загрязнений. Кроме того, растения своими реакциями отражают загрязнения за длительный период, и их использование является менее трудоёмким, чем измерение физических и химических параметров загрязнённости природной среды. На листьях деревьев при загрязнении атмосферы появляются хорошо заметные некрозы. По присутствию некоторых устойчивых к загрязнению видов и отсутствию неустойчивых видов (например лишайников) определяется уровень загрязнения атмосферы городов. Поэтому исследователи рассматривают растения как наиболее чувствительные и надёжные индикаторы загрязнённости атмосферы и гидросферы.

Городские растения страдают от выхлопных газов автомобилей, трубного дыма и пыли. Деревья и кустарники рано стареют, изреживается их крона, преждевременно желтеют и опадают листья. Если в нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3-4года, то в загрязнённой атмосфере значительно раньше, поэтому хвойные растения являются чуткими индикаторами загрязнённости атмосферы.

Индикаторные растения используют как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, так и для оценки общего состояния природной среды. Фитотоксическое действие атмосферных загрязнителей обнаруживается путём наблюдения за дикорастущими и культурными растениями в зоне загрязнения. Мониторинг осуществляется путём наблюдения как за отдельными растениями, так и за состоянием растительных сообществ — фитоценозов. С помощью мониторинга на уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне фитоценозов — общего состояния природной среды. Измерение ширины годичных колец и площади повреждённой поверхности листьев, определение содержания хлорофилла, активности некоторых ферментов и продуктивности, выявление аномалий роста позволяют выявить негативное воздействие загрязнителей.

Обнаружив по состоянию дикорастущих и культурных растений присутствие в воздухе специфических загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ путём стандартной экспозиции некоторых растений в обследуемом районе. Это можно делать как в лабораторных условиях на специальном оборудовании, так и экспонированием растений в контейнерах или на делянках. Живыми приборами служат растения-индикаторы, которые высаживают на грядки, в вегетационные сосуды или в специальные коробочки. Например, в компактные контейнеры с мхами — бриометры. Их легко переносить и устанавливать в любых местах, которые необходимо проконтролировать.

Иногда по внешнему виду растения-индикатора невозможно определить степень загрязнённости, потому что прямой зависимости между количеством поглощённого загрязнителя и интенсивностью проявления анатомо-морфологических и физиолого-биохимических признаков может и не быть. В таком случае измеряют содержание загрязнителей непосредственно в растительном материале. Для этого используют растения, которые обладают устойчивостью к загрязнителям, и в то же время избирательно аккумулируют их. Таким индикатором содержания в воздухе соединений фтора являются плевелы многоцветковый и многолетний (Lolium multiflorum, Lolium perenne). По величине накопления фитотоксиканта в листьях за определённый период можно с достаточной точностью определить среднее его содержание в окружающем воздухе.

Мониторинг на уровне фитоценозов предполагает учёт различных показателей разнообразия видов. Удобным объектом оказались диатомовые водоросли. Диатомовые водоросли — это одноклеточные организмы, большинство которых можно разглядеть только под микроскопом, хотя имеются виды, различимые невооружённым глазом. Особенностью их строения является наличие крепкого кремнезёмного панциря, красота форм и структур которого вызывает восхищение. Диатомеи являются чуткими индикаторами на солёность, температуру и другие показатели среды обитания. На протяжении веков они формировали донные осадки, анализ которых позволяет судить о климате далёких эпох.

Способность диатомовых водорослей успешно расти на стёклах позволила разработать простой и дешёвый метод контроля. Он даёт возможность фиксировать изменения в структуре сообществ диатомовых водорослей, которая при естественных условиях остаётся довольно постоянной во времени. Однако, если в водную среду поступают загрязнения, богатые биогенными элементами (азотом, фосфором, углеродом), некоторые виды становятся очень многочисленными. При поступлении токсических веществ число видов и величина популяций снижаются, хотя иногда некоторые виды, устойчивые к токсикантам, становятся очень многочисленными из-за отсутствия конкуренции за пищу. С помощью диатомовых водорослей могут быть обнаружены самые незначительные концентрации тяжёлых металлов или радиоактивных элементов, поскольку водоросли способны аккумулировать эти вещества до количеств, в тысячи раз превышающих их содержание в окружающей среде.

Техногенное влияние приводит также к неблагополучному состоянию водоёмов, вследствие сброса в них сточных вод. В результате превышаются предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в реках, озёрах, морях, подземных водах, ухудшается качество питьевой воды. Растения-индикаторы помогают определить качество воды. Для этой цели помимо микроскопических водорослей представляют ценность крупномерные водные растения. Водные растения, видные невооружённым глазом, позволяют визуально оценить экологическое состояние водоёма, определить трофические свойства воды, а иногда и специфику её химизма. Водная растительность помогает определить уровень загрязнённости водной среды, а прибрежная растительность — уровень загрязнённости донных отложений малорастворимыми токсическими веществами.

В достаточно чистой воде растут харовые водоросли (Chara aspera, Chara tomendos), водокрас (Hydrocharis morsus-ranae), пузырчатки малая и охристая (Utricularia minor, Utricularia ochroleuca), рдест цветной (Potamogeton coloratus), сальвиния (Salvinia natans). При умеренном загрязнении преобладают нителлопсис (Nitellopsis obtuse), рдест блестящий и пронзённолистный (Potamogeton lucens, Potamogeton perfoliatus), уруть мутовчатая (Myriophyllum verticillatum). В очень сильно загрязнённых водах развиваются многокоренник (Spirodela polyrhisa), рдест узловатый (Potamogeton nodosus), роголистник (Ceratophyllum demersum), ряска (Lemna vinor), стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia).

Следует учитывать, что многие виды водных растений обладают широким географическим и экологическим ареалами и в разных водоёмах имеют различное индикаторное значение.

О степени антропогенного влияния на окружающую среду судят по исчезновению видов, например, декоративных растений первоцветов: подснежников (Galanthus nivalis, Galanthus plicatus), пролесок( Scilla bifolia, Scilla sibirica), рябчиков (Frittilaria meleagris, Frittillaria ruthenica), тюльпанов (Tulipa quercetorum, Tulipa schrenkii), численность которых вблизи городов резко сокращается вследствие хищнического сбора, вытаптывания и переуплотнения почвы. Чрезмерный выпас скота, приводящий к деградации естественных лугов, можно диагностировать по характеру растительности, когда ценные кормовые виды замещаются менее питательными. Избыток навоза приводит к усиленному развитию азотолюбивых растений, которые животные не едят.

На свалках обитают рудеральные, или мусорные растения — крапива (Urtica dioica), красавка (Atropa belladonna), лопух(Лг&шт lappa), которые, как правило, являются нитрофилами (см. первую главу). Индикаторами нарушенных земель являются завезённые амброзия (Ambrosia artemisifolia) и циклахена (Cyclachaena xantifolia), которым трудно конкурировать с местными растениями в устоявшихся биоценозах, но которые прекрасно развиваются на стройках, свалках, пустошах, вдоль дорог. Некоторые сорняки обитают в посевах культурных растений, и их жизненный цикл приспособлен к определённой культуре. Так, рыжик льновый (Camelina linicola) и плевел льновый (Lolium linicolum) встречаются только в посевах льна, а ежовник рисовый (Echinochloa oryzoides) является индикатором рисовых полей.

Редкие растения являются индикаторами необычных местообитаний. Они могут указывать на центры биоразнообразия или убежища, где вид пережил последний ледниковый период. Составлены списки растений, называемые Красными книгами, которые подлежат охране. Многие из них являются эндемиками, то есть встречаются только в определённом географическом районе.

Охрана растений является одним из важнейших требований при построении общества устойчивого развития. Считается, что в настоящее время на Земле еженедельно исчезает один вид растений, а ведь его гибель ведёт к уничтожению примерно ещё 30 видов мелких животных, связанных с ним в процессе питания. По оценке учёных, почти миллиону видов живых организмов угрожает вымирание непосредственно из-за человеческой деятельности и климатических изменений, связанных с нею. Прогнозируется, что к середине нынешнего столетия до четверти всех животных и растений может исчезнуть с лица Земли. Такие прогнозы действительно ужасают, ведь человеком используется всего несколько тысяч видов растений. О многих видах и их полезных свойствах человеку зачастую ещё даже не известно, не говоря уже о том, что от состояния растительности зависит благополучие не только человечества, но и само существование жизни на планете.

Принято дарить друг другу цветы, выражая свою любовь и признательность. Но, если вам весной предлагают купить цветы, собранные браконьерским способом, задумайтесь о том, следует ли становиться соучастником преступного отношения к природе.