Для снижения токсичного действия газообразных загрязнителей в промышленных районах рекомендуется использовать следующие древесные породы:
1)тополь канадский, бузину, липу мелколистную, клен ясенелистный, жимолость – для зоны сильного поражения (в радиусе до 500 м от источника вредных газов);
2)березу пушистую, вяз, клен остролистный, клен татарский, иву, рябину, черемуху, акацию желтую, лещину, бересклет и породы указанные в перечислении 1 – для зоны умеренного поражения (в радиусе от 500 до 2000
мот источника вредных газов);
3)дуб, лиственницу и сосну – для зоны слабого поражения (в радиусе свыше 2000 м от источника вредных газов).
38
10 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЫ И ВОДЫ
Деятельность человека приводит к значительному загрязнению окружающей среды. Этому способствует целый ряд причин, и в первую очередь неразумное использование химических соединений для борьбы с вредителями, болезнями сельскохозяйственных культур и с сорной растительностью.
К большинству химических веществ, являющихся продуктом деятельности человека, у растений не выработалось генетически обусловленной устойчивости. Действие этих веществ, как правило, усугубляет негативное влияние естественных природных факторов.
Пестициды, поглощенные растениями передвигаются в нем по ксилеме, флоэме и межклетникам. Различные пестициды метаболизируются в растениях по-разному. Одно и то же вещество вовлекается в различные реакции, в результате чего образуется много разных продуктов метаболизма. Причем на первом этапе образуются более токсичные соединения, чем исходные.
Применение пестицидов должно быть строго регламентировано. Для санитарного контроля за остатками в пищевых продуктах утверждается ПДК – предельно допустимая концентрация содержания остатков пестицидов. В настоящее время стала острой проблема отравления почвы и воды ксенобиотиками. Многие из этих веществ плохо растворимы в воде, но сравнительно легко усваиваются живыми организмами, в результате чего происходит их биоаккумуляция.
Загрязнение водоемов обусловлено завышением доз удобрений и особенно растворимых азотных соединений, которые поступают в грунтовые воды. Помимо этого, высокие дозы азотных удобрений приводят к накоплению нитратов в самих растениях. Это в значительной степени отражается на качестве продукции, вызывая различные отравления и повышая риск заболевания раком у людей и животных, которые используют такие растения в пищу.
Почва и вода загрязняются тяжелыми металлами, которые выделяются в среду с выхлопными газами, продуктами горения, в результате сжигания топлива, деятельности горнодобывающей промышленности, сбрасывания сточных вод. Тяжелые металлы поступают в растение преимущественно через корневую систему из почвы, в меньшей степени – через листья. Скорость поглощения растением металлов зависит от рН почвенного раствора, содержания органических веществ в почве и концентрации других ионов.
Основная часть высших растений повреждается избыточным содержанием тяжелых металлов. Однако многие растения способны накапливать в основном в надземных органах большие количества тяжелых металлов, мно-
39
гократно превышающие их концентрации в почве. Эти растения так и называются растениями-аккумуляторами, которые в процессе эволюции, произрастая на почвах геохимических аномалий, сформировали конститутивные механизмы устойчивости к тяжелым металлам, что позволяет им аккумулировать токсичные элементы в метаболически инертных органах и органеллах или включать их в хелаты и тем самым переводить в физиологически безопасные формы. Подобные виды растений начинают активно использовать для разработки технологий биологической очистки, загрязненных территорий.
В основе токсического действия тяжелых металлов лежит их способность связываться с серосодержащими веществами и образовывать с ними прочные соединения. Одним из наиболее распространенных отрицательных эффектов тяжелых металлов является их взаимодействие с SH-группами белков, что приводит к инактивации ферментов и изменению других биологических свойств макромолекул и сопровождается нарушением клеточного метаболизма и физиологических процессов. В настоящее время известно более 100 ферментов, инактивирующихся тяжелыми металлами. Являясь конкурентами микроэлементам, тяжелые металлы инактивируют многие процессы, особенно окислительно-восстановительные.
Наиболее общие проявления действия тяжелых металлов на растения – это ингибирование фотосинтеза, нарушение транспорта ассимилятов и минерального питания, изменение водного и гормонального статусов организма и торможение роста. Тяжелые металлы ингибируют фотосинтез, нарушая ультраструктуру хлоропластов, тормозя синтез фотосинтетических ферментов и снижая количество хлорофилла, пластохинона и каротиноидов, вызывая дефицит СО2 из-за закрывания устьиц. Типичным результатом действия кадмия и ряда других тяжелых металлов является уменьшение содержания хлорофилла, причем концентрация хлорофилла b снижается сильнее, чем хлорофилла а. Это действие кадмия является следствием как торможения синтеза хлорофилла, так и его деградации. В присутствии таких тяжелых металлов, как Сu, Pb снижается активность ключевых ферментов фотосинтеза РуБФкарбоксилазы и ФЕП-карбоксилазы. Кроме того, ингибируется активность карбоангидразы при действии повышенных концентраций кадмия. Тяжелые металлы влияют и на световую фазу фотосинтеза, нарушая транспорт электронов, преимущественно связанный с фотосистемой II, что обусловлено изменением структуры тилакоидных мембран, нарушением синтеза пластохинона и снижением активности ферредоксин-НАДФ+-оксидоредуктазы.
Выявлены биологические особенности древесных растений по накоплению кадмия, свинца, алюминия и железа. Динамика и величина накопления металлов листьями древесных растений зависят от метеорологических пока-
40
зателей сезона вегетации. При повышенной влажности древесные растения увеличивают уровень накопления металлов во всех зонах загрязнения в 1,5– 13 раз. Использование сточных вод, загрязнение почвы и воды различными бытовыми и промышленными отходами также приводят к накоплению тяжелых металлов, ухудшающих плодородие почвы в результате разрушения ее почвенного поглощающего комплекса. Тяжелые металлы сильно подавляют рост растений, а накопление их в больших количествах в сельскохозяйственных продуктах делает последние непригодными для питания человека.
Под действием тяжелых металлов нарушается водный статус растения. Замечено, что многие растения в промышленных районах характеризуются меньшей оводненностью тканей и пониженной интенсивностью транспирации, что нарушает тепловой режим листа. Изменение водного статуса растения является следствием многих причин: понижения эффективности осморегуляции, уменьшения эластичности клеточных стенок, нарушения водопоглотительной способности корня. Водопоглотительная способность корня падает вследствие ингибирования формирования новых боковых корней и корневых волосков, замедления линейного роста корня, снижения контакта корневой системы с почвой, торможения транспорта ассимилятов из побегов в корневую систему. Кроме этого, ускоряется отмирание кончика корня, возрастает лигнификация и суберинизация клеток, увеличивается содержание АБК, вызывающей закрывание устьиц.
Тяжелые металлы в большинстве случаев ингибируют поглощение клетками корня как катионов, так и анионов. Торможение поглощения макро- и микроэлементов может быть обусловлено конкуренцией с тяжелыми металлами за переносчики. Другой причиной нарушения ионного гомеостаза в клетках является отток ионов (например, калия) из корней вследствие изменения под действием тяжелых металлов активности мембранных ферментов и повреждения мембран. У разных растений реакция может быть крайне неодинаковой. Так, аккумуляция меди снижалась в присутствии кадмия в корнях райграса, кукурузы, капусты и клевера, но увеличивалась в корнях риса и не изменялась в корнях тыквы и огурца.
Наиболее чувствителен к действию тяжелых металлов рост. Причем рост корня более чувствителен, чем рост побега. Кадмий и свинец сильнее ингибируют рост главного корня проростка, чем образование боковых корней, в результате корневая система приобретает компактную форму. Наиболее устойчиво к тяжелым металлам прорастание семян, что обусловлено низкой проницаемостью для них семенной кожуры. Ингибирование роста тяжелыми металлами является следствием снижения скорости как деления, так и
41
растяжения клеток. В основе этого явления могут быть уменьшение оводненности тканей, удлинение митотического цикла, нарушение эластичности клеточных стенок и формирования микротрубочек.
Таким образом, практически все физиологические процессы в растении подвержены негативному действию тяжелых металлов. Тем не менее растения способны расти и на загрязненных тяжелыми металлами территориях, используя специальные адаптивные механизмы.
Растения выработали целый ряд приспособительных механизмов, защищающих клеточный метаболизм от присутствующих в окружающей среде тяжелых металлов. Эти механизмы включают: связывание тяжелых металлов клеточной стенкой и выделяемыми клеткой веществами (эксудатами); снижение поступления в клетку тяжелых металлов и выброс их из цитоплазмы в апопласт; хелатирование в цитоплазме пептидами и белками; репарацию поврежденных белков и компартментацию металлов в вакуоли с помощью переносчиков тонопласта.
Связывание тяжелых металлов стенками клеток корня – первый рубеж «обороны» от присутствующих в почвенном растворе металлов. Цель этого механизма – снизить проникновение тяжелых металлов в протопласт. Подобный механизм функционирует, например, у толерантной к тяжелым металлам смолевки обыкновенной, которая аккумулирует их в клеточных стенках эпидермы за счет связывания с белками ли силикатами.
Выделяемая клетками и покрывающая поверхность корня слизь ограничивает проникновение тяжелых металлов в клетки, т.е. выполняет барьерную функцию. Тяжелые металлы связываются с карбоксильными группами уроновых кислот слизи.
Иногда выделяемые в почву эксудаты корней могут содержать гистидин, цитрат и другие хелаторы тяжелых металлов. Подобный механизм используется при детоксикации такого легкого металла, как алюминий. Интересно, что в данном случае у растений, например, гречихи в корнях образуется щавелевая кислота, которая не выбрасывается наружу, а поступает в листья, где алюминий аккумулируется в виде нетоксичного оксалата алюминия.
Необходимо уделять внимание переработке сточных вод и строго следить за тем, чтобы в канализацию не сбрасывались промышленные отходы, нефтепродукты.
42