Действие выбросов на растительность

     Развитие  растений тесно связано с условиями  окружающей среды. Температуры, характерные для данного района, количество осадков, характер почв, биотические параметры и даже состояние атмосферы – все эти условия, взаимодействуя между собой, определяют характер ландшафта и виды растений являющихся его частью. Если окружающие условия изменяются, то изменяется и растительный мир. Изменения способна вызвать  даже разница в количестве осадков, выпадающих в разные годы. Если изменение условий очень значительны, то растения, обладающие большой чувствительностью к таким изменениям, испытывают стресс и, в конечном счете, могут погибнуть. Значительные изменения даже какого–либо одного параметра могут приводить к гибели растений.

     В нормальных условиях в атмосфере  содержится огромное число компонентов – как газообразных, так и в виде аэрозолей. Помимо основных компонентов – кислорода и азота, а так же важного, но присутствующего в меньших количествах диоксида углерода, воздух содержит различные химические соединения, которые следует рассматривать  как загрязнения. К ним относятся некоторые углеводороды, выделяемые самими растениями, а также серосодержащие соединения, являющиеся продуктами жизнедеятельности бактерий. Установлено, что такие биогенные источники ответственны за 11% от общего количества диоксида серы, попавшего в атмосферу. Оставшаяся часть образуется в результате деятельности человека, то есть поступает из антропогенных источников. В атмосфере  обычно присутствуют оксиды азота. Они в основном образуются при электрических разрядах молний и в результате биологического окисления, главным образом бактериями. Из искусственных источников поступает только около 10% общего количества оксидов азота. Тем не менее, эти источники весьма существенны, поскольку вблизи городских центров происходит концентрация загрязнений в атмосфере. Антропогенными источниками оксидов являются процессы горения, при которых происходит окисление воздуха до NO. Чем выше температура, тем больше образуется оксидов. В дневное время происходит дальнейшее окисление NO до NO₂ в результате химических реакций. Часть NO₂ расходуется с образованием озона, пероксиацилнитратов и других загрязняющих веществ. Таким образом, предшественники многих основных загрязняющих веществ уже имеются в обычных условиях в атмосфере. Поскольку растения развивались в присутствии таких соединений в обычных концентрациях, в этих условиях редко наблюдаются какие либо отрицательные воздействия на них. Эти воздействия обнаруживаются только тогда, когда концентрация загрязнений оказывается выше допустимого порогового уровня. Такое превышение может произойти во многих случаях. Одним из наиболее наглядных примеров являются местности, расположенные около металлургических заводов, где для атмосферы характерны высокие концентрации оксидов серы и тяжелых металлов. В этих условиях многие растения неспособны к выживанию. Любая популяция растений включает в себя  различные индивидуальности. Точно так же, как один вид растений может быть более или менее  чувствительным к загрязнениям, чем другой, внутри популяции каждого вида может различаться чувствительность отдельных экземпляров. Поэтому в присутствии определенных количеств загрязнений наименее устойчивые виды и экземпляры ослабевают или гибнут,  в то время как более устойчивые продолжают участвовать в производстве следующего  поколения растений. В этом поколении также может проявиться аналогичное различие в устойчивости, и, таким образом, процесс селекции продолжается, и популяции растений приходится реагировать на дополнительные параметры, связанные с воздействием окружающей среды. К сожалению, не все популяции растений обладают генетической структурой, обеспечивающей устойчивость по отношению к существующим концентрациям всех загрязнений. Во многих случаях скорость увеличения количества загрязнений в атмосфере превышает скорость перестройки генетического аппарата популяции, что не дает возможности растениям приспособиться к изменению окружающих условий. При загрязнении окружающей атмосферы такие виды исчезают.

     Воздействие на экологическую систему, будь это пустыня, луг или лес, на первых порах не отражается на системе или организме в целом; любые нарушения или стрессы сначала дают себя знать на молекулярном уровне отдельного растения или системы растений. В тех случаях, когда стрессы воздействуют на процессы, протекающие в клетке, растение начинает слабеть; при этом происходят изменения в процессах обмен, и сама клетка подвергается воздействию. Каждое из загрязнений воздействует своим особым образом, однако все загрязнения оказывают влияние на некоторые основные процессы, в частности нарушают водный баланс. В первую очередь воздействию подвергаются системы, регулирующие поступление загрязняющих веществ, а также химические реакции, ответственные за процессы фотосинтеза, дыхания и производство энергии. однако разные древесные породы неодинаково чувствительны к этому воздействию. Одни из них более стойки, другие, напротив, очень уязвимы. Каждая древесная порода чувствительна по-своему. Это отчасти зависит от того, как долго сохраняются на дереве листья или хвоинки, какова продолжительность их жизни. Например, наши лиственные деревья с опадающей ежегодно листвой лучше противостоят вредному действию промышленного дыма, чем вечнозеленые хвойные, у которых хвоинки живут несколько лет. Лиственница, которая каждый год сбрасывает хвою, отличается почти такой же стойкостью, как лиственные древесные породы. А среди последних тоже нет однообразия по чувствительности, хотя продолжительность жизни листьев одинакова. Особенно стойки к атмосферным загрязнениям различные виды тополя.

     Какие же вещества наиболее опасны для растений? Какие вредят сильнее всего? Перечень этих веществ довольно велик, и перечислить  их все нет возможности. Вот только главнейшие: сернистый газ (двуокись серы), фтор, хлор, аммиак, фенол, окислы азота, сероводород, уксусная кислота, пары ртути, хлористый водород, окись углерода. Но все же врагом номер один надо считать для леса сернистый газ (двуокись серы). Это веществ в особенно больших количествах попадает в атмосферу и при этом очень ядовито для растений. Так что когда говорят о вреде промышленного дыма для леса, то речь идет чаще всего именно о сернистом газе. Рассмотрим  наиболее вредные загрязняющие вещества.

       Сернистый газ.

     Сернистый газ (SO2) попадает в атмосферу при  сгорании веществ, содержащих серу. Он образуется, в частности, при выплавке меди (когда сырьем служит медный колчедан), при сжигании каменного угля, нефти, имеющих примесь серы (в нефти, например, эта примесь может достигать 4% и более). Огромное количество сернистого газа выбрасывается в атмосферу из труб заводов, тепловых электростанций и ряда других предприятий. Подсчитано, что в воздушную оболочку нашей планеты ежегодно попадает более 130 млн. т этого вредного вещества. Практически весь сернистый газ выделяется в результате производственной деятельности человека. Это вещество почти исключительно антропогенного происхождения, так сказать спутник цивилизации. В природе, не затронутой человеком, нет таких процессов, которые приводили бы к выделению больших количеств сернистого газа. Немного его попадает в атмосферу только при извержениях вулканов. А извержения, как известно, бывают достаточно редко.

     Особенно  губителен сернистый газ для  наших вечнозеленых хвойных деревьев, прежде всего сосны. Огромные массивы  сосновых лесов в зоне интенсивного действия промышленного дыма страдают от отравления этим веществом. Признаки поражения деревьев хорошо заметны. Такие деревья резко отличаются по внешнему виду от здоровых. Кроны их сильно изрежены, хвои мало, часть крупных сучьев засохла. Иногда засыхает и вершина. Поражение сернистым газом сказывается также на длине хвоинок: они становятся значительно короче. Отравленные деревья в конце концов полностью засыхают, погибают.

     Лиственные  деревья гораздо более устойчивы  к сернистому газу. Они не погибают так быстро, как сосна, но все же более или менее сильно страдают. Листья их покрываются пятнами газовых ожогов. Пораженные участки листа со временем отмирают, вываливаются, и листовая пластинка оказывается продырявленной. Тем не менее лист не погибает, если только площадь «дыр» не слишком велика (не более 10-20%) - Сохранение живыми листьев, продырявленных газовыми ожогами, можно наблюдать, например, у черемухи, липы, дуба.

     Интересно, что обычно поражаются главным образом  края листовой пластинки, а средняя часть остается незатронутой. Листовая мякоть между жилками повреждается сильнее, чем сами жилки.

     Сернистый газ - местный яд. Он вызывает отмирание  только тех участков листа, которые  подверглись его непосредственному  воздействию. Соседние участки совершенно не страдают, никакой «передачи» отравления по листу не происходит. Поражение листовых пластинок сернистым газом носит сугубо местный, пятнистый характер. Его можно уподобить повреждениям, которые наносят листогрызущие насекомые, например гусеницы.

     Чем обусловлено ядовитое действие сернистого газа, почему он отравляет растения? Суть дела заключается в следующем.

     Проникая  внутрь листа, сернистый газ поражает живые клетки, которые осуществляют важнейший для зеленых растений процесс фотосинтеза. Поражение клеток приводит к тому, что фотосинтез резко нарушается, так как связывается каталитически активное железо. Хлорофилл на свету уже не вырабатывает органических веществ, а, напротив, начинает действовать как окислитель, разрушая некоторые жизненно важные для растения соединения (белки, фосфатиды, аминокислоты и др.). В результате этого клетки отмирают. Чем сильнее интенсивность освещения, тем больше ядовитое действие сернистого газа. С уменьшением освещенности вредное действие снижается. Ночью, в темноте, оно минимально. Большое значение имеет и другое обстоятельство. Сернистый газ, проникая в клетки, растворяется там и образует сернистую кислоту. В результате этого сильно подкисляется содержимое клеток, что оказывает крайне неблагоприятное воздействие. Под влиянием подкисле-ния уменьшается стабильность клеточных биоколлоидов и даже происходит их коагуляция. Клетки сильно повреждаются и затем отмирают.

     Вредное воздействие сернистого газа обусловлено  еще и тем, что в клетках  листа постепенно накапливается сера, в результате чего наступает сульфатное отравление. В конце концов в листьях разрушается хлорофилл, они желтеют и отмирают. Таковы в общих чертах причины ядовитости сернистого газа.

     Необходимо  немного сказать о путях проникновения  сернистого газа в растения, а также о том, какие особенности строения растений уменьшают вредное действие этого газа. Речь будет идти только о листьях, так как они наиболее уязвимы.

     Сернистый газ проникает в листья через  устьица. Эти микроскопические клапаны, способные то открываться, то закрываться, расположены в кожице листа. При открытых устьицах сернистый газ легко проходит внутрь листовой мякоти, двигаясь по межклетникам и отравляя живые клетки, лежащие на его пути. Когда устьица закрыты, газ тоже может проникать в лист, но с большим трудом и в очень малых количествах. Он частично просачивается через слой кутикулы - особой защитной пленки, одевающей лист со всех сторон. Кутикула почти непроницаема для газов, но все же не является абсолютным препятствием. Она в слабой степени пропускает и сернистый газ.

     Ясно, что, чем толще кутикула, тем лучше  защищено растение от вредного действия сернистого газа.

     Кутикула  почти непроницаема не только для  газов, но и для воды. Это защита для внутренних тканей листа от обезвоживания, высыхания. Естественно, что лучше всего развита кутикула у растений засушливых районов, особенно у обитателей пустынь. Им особенно нужна надежная защита от высыхания. Установлено, что растения с толстой кутикулой, хорошо переносящие засуху, оказываются наиболее стойкими и к воздействию сернистого газа. Именно так обстоит дело у многих растений пустыни, например кактусов. Иными словами, более засухоустойчивые растения менее чувствительны к сернистому газу.

     Эту зависимость можно проследить и  на наших древесных породах.

     Два вида наших берез - повислая и пушистая - заметно различаются по своей  газоустойчивости. Листья первого вида более грубые, с более толстой  кутикулой, они лучше противостоят как высыханию, так и вредному воздействию сернистого газа. Листья другого вида березы, напротив, более мягкие, нежные, они быстрее теряют воду и легче поражаются сернистым газом. Словом, свойство засухоустойчивости идет параллельно с газоустойчивостью. Защитные приспособления от засухи служат одновременно и защитой от вредных газов.

     После всего изложенного нетрудно понять особенности воздействия сернистого газа на различные растения. Почему, например, наши вечнозеленые хвойные  деревья (сосна, ель, пихта) страдают сильнее, а лиственные слабее? Причина здесь  прежде всего в разной продолжительности жизни хвоинок и листьев. А она сильно различается у тех и других. Хвоинки живут несколько лет (у ели - до 7-8, у пихты еще дольше), а листья - всего несколько месяцев. Отравленные листья сбрасываются довольно скоро, уже в первую осень. На смену им следующей весной вырастают новые, совершенно здоровые. У хвоинок же отравление накапливается в течение нескольких лет, поэтому год от года они «работают» все хуже. Кроме того, пораженные хвоинки отмирают и опадают раньше положенного срока, они живут много меньше здоровых. В результате дерево не получает нормального питания от своей кроны, истощается, слабеет и затем погибает. Особенно наглядно видно это у сосны. Здоровые хвоинки живут 3-4 года, а отравленные сернистым газом - только 1-2. Следовательно, общая масса живой хвои сильно уменьшается, а питание дерева от кроны соответственно ухудшается. При такой ситуации сосна долго не проживет, она обречена на скорую гибель.

     Теперь  обратимся вновь к лиственным деревьям. При отравлении сернистым  газом у них тоже происходит преждевременное опадение листьев. Но здесь это часто не имеет катастрофических последствий. Преждевременный листопад далеко не всегда бывает губительным. Если он происходит в конце лета, дерево почти не страдает. К этому времени листья уже «выполнили план» летней работы, снабдили дерево необходимым количеством питательных веществ.

     До  сих пор мы говорили только о газоустойчивости хвоинок и листьев деревьев. О  других надземных частях растений ничего не было сказано. Это не случайно. Именно листья и хвоинки наиболее чувствительны к вредным газам. Они хуже всего защищены от отравления. Поверхность их покрыта тонкой живой кожицей, которая представляет собой не очень надежную защиту. Собственно защитную роль выполняет только кутикула- тончайшая пленка особого жироподобного вещества, которая, как слой лака, покрывает снаружи клетки кожицы листа.

     Ветви деревьев одеты более толстым  слоем покровной ткани, лучше  защищены от всяких неблагоприятных  воздействий. На поверхности молодых  ветвей, которые появились весной, уже к концу лета формируется особый пробковый слой. Правда, он сравнительно тонкий, почти как обычная бумага для письма, но все же много толще, чем кутикула. Основное назначение этого слоя - защита живых внутренних тканей ветви от высыхания. Такая защита особенно нужна зимой, когда ветви могут высохнуть на морозе, а пополнить потери воды дерево не в состоянии. Однако пробковый слой хорошо защищает ветви и от вредных газов. Важно отметить, что этот слой формируется не сразу, а только к концу лета. Весной молодые побеги, едва появившиеся из почек, еще очень нежные, они практически совсем не защищены, легко уязвимы. Необходимо сказать также и о периодичности воздействия сернистого газа на лес. Это воздействие обычно не бывает равномерным, т. е. непрерывным по времени и одинаковым по интенсивности. Ядовитый газ идет как бы волнами. Вред, который он причиняет лесу, в сильной степени зависит, прежде всего, от направления и скорости ветра. Особенно опасно, когда потоки воздуха идут от предприятия, выбрасывающего сернистый газ, прямо к лесному массиву, и при этом ветер слабый. Тогда деревья попадают в зону действия ядовитого газа наиболее высокой концентрации. Он может причинить особенно большой вред. Однако такая ситуация возникает только в определенные периоды и бывает не часто. Воздействие подобных газовых «атак» неодинаково опасно в зависимости от времени года, а следовательно, от того, в какой стадии сезонного развития находятся деревья (речь идет о лиственных древесных породах).