Хлоропласты – центры фотосинтеза клеток растений

В придорожных растениях количество свинца резко повышено, оно в 10--100 раз выше по сравнению с растениями, растущими вдали от дорог. Между содержанием свинца в растениях и расстоянием дерева от дороги существует доказуемая обратная зависимость (достоверность 95%).

Свинец в достаточно высокой концентрации тормозит прорастание семян редиса, замедляет рост корней в длину, а также образование корневых волосков. Листья отравленных свинцом растений становятся хлоротичными в межжилковых зонах. Особенно сильно поражаются молодые листья.

Под влиянием свинца активность фотосистемы I и II снижалась, причем фотосистема II оказалась более чувствительной к действию этого фитотоксиканта. Свинец оказывает ингибирующее влияние на реакцию Хилла (способность изолированных хлоропластов на свету выделять кислород) и фотосинтетическое фосфорилирование. Установлено, что в хлоропластах растений, растущих поблизости от автострады, наблюдается подавление образования аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Чем дальше растения расположены от автострады, тем больше в изолированных хлоропластах образуется АТФ. Содержание АТФ находилось в обратной зависимости от количества в растениях свинца.

Некоторые растения очень чувствительны по отношению к свинцу: ячмень, овес, пшеница, картофель. Среди дикорастущих следует отметить смолевку, которая, поглотив много свинца, приобретает карликовую форму. Листья и стебли этого растения становятся темно-красными, а цветки мелкими и невзрачными.

Ртуть

Поступление в атмосферу ртути обусловлено деятельностью человека, связанной с распашкой земель, бурением, с осуществлением горных работ, промышленных взрывов и т. п. Все эти факторы усиливают диффузию ртути, находящейся в почве и подпочвенной породе. Особую опасность представляет накопление ртути в гидросфере. Основным источником ее поступления в водоемы являются ядохимикаты, используемые в сельскохозяйственной практике, а также сточные воды промышленных предприятий. Кроме того, ртуть оказывается в морях и океанах, будучи привнесенной из атмосферы, куда она попадает при сжигании угля и нефти, а также при выветривании горных пород, в результате диффузии из земных недр. Отходы, содержащие ртуть, под влиянием гнилостных процессов, протекающих в водоемах, оказываются более токсичными, чем сама ртуть. Ученые полагают, что 90% всей ртути в водных экосистемах находится в метилированной форме.

Первые опыты по влиянию паров ртути на растения были поставлены еще в конце XVIII в. голландскими химиками Дейманом, Паатсом, ван Тройствийком и Лауверенбургом. У бобов, мяты и сирени, помещенных под стеклянный колпак вместе с ртутью, через 24 ч листья становились пятнистыми. После нескольких дней обработки парами ртути растения погибали. Молодые цветочные почки розы оказались особенно чувствительными к наличию в воздухе паров ртути. Они погибали вместе с участками стебля, расположенными непосредственно под почкой.

Одним из самых заметных эффектов действия этого элемента является ингибирование роста корней и побегов, что обусловлено нарушением деятельности апикальных меристем. Наряду с торможением роста под влиянием ртути наблюдаются и другие эффекты. Слабые концентрации фенилртути вызывают образование небольших опухолей на корнях пшеницы. При относительно высокой концентрации (100 мг/л бората фенилртути в 1л питательного раствора) возникает хлороз листьев пшеницы. Хлористая ртуть, по-видимому, обладает меньшей токсичностью. В опытах с пшеницей она не вызывала хлороза листьев.

Кадмий

Главным загрязнителем атмосферы кадмием является цветная металлургия и обработка цветных металлов (5,31 тыс. т). Этот элемент широко используется в гальванотехнике и производстве сплавов, в красильном деле, для стабилизации хлорвинилхлорида и т.д. Кроме того, кадмий поступает в окружающую среду при сгорании некоторых видов топлива и особенно при сжигании мусора и отходов (1,4 тыс. т). Из атмосферы кадмий поступает в почву. Загрязнение ее этим элементом носит устойчивый характер, поскольку из почвы он вымывается чрезвычайно медленно. Кадмий загрязняет и гидросферу.

Большое количество кадмия обнаруживается в растениях, произрастающих поблизости от автомобильных дорог. Так, например, в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости от автострады, количество кадмия возрастает в 11--17 раз. Между содержанием кадмия и расстоянием между деревом и дорогой существует статистически доказуемая обратная зависимость (достоверность 95%).

Существует прямая зависимость между содержанием кадмия в почве и поступлением его в растения, однако между поглощением этого элемента и реакцией на него такой зависимости нет. Так, сосна веймутова по сравнению с кленом красным и елью поглощает кадмий более интенсивно, однако видимые симптомы повреждения проявлялись у нее в меньшей степени, чем у этих растений. Симптомы избыточного поступления в растения кадмия проявляются в постепенном изменении окраски копчиков листьев и черешков до красновато-бурой и пурпурной. При этом листья скручиваются, становятся хлоротичными и опадают.

В опытах с рисом показано, что этот элемент замедляет темпы роста растений. Одна из причин торможения роста растений, произрастающих в присутствии кадмия,-- резкое ослабление интенсивности фотосинтеза. Присутствие в 1 кг листьев 96 мг этого элемента снижает интенсивность фотосинтеза па 50%.

Кобальт

Кобальт относится к числу элементов, необходимых для нормального роста растений. Он входит в состав витамина В₁₂, образуемого растениями, необходим для фиксации атмосферного азота симбиотическими микроорганизмами, повышает засухоустойчивость растений.

Вместе с тем это один из наиболее токсичных металлов. Он сильно ингибирует прорастание семян табака, губительно влияет на растения. Так, например, присутствие в 1 кг почвы всего 14,6 мг кобальта приводит к сильному поражению и задержке роста растений овса. У фасоли, выращиваемой в питательном растворе в присутствии кобальта (10^-6 --10^-5М), отмечена хлоротичность листьев, а при концентрации его 10^-4 М -- снижение веса надземной массы.

Медь

Главным источником загрязнения природной среды медью являются предприятия цветной металлургии и по переработке цветных металлов -- 21,1 тыс. т. Поэтому в окрестностях медеплавильных заводов обнаруживается повышенное содержание этого металла.

Вместе с кобальтом и марганцем медь относится к числу микроэлементов, необходимых для растений. Для жизнедеятельности растений требуются очень небольшие количества меди. В случае избытка этого элемента на растениях возникают симптомы поражения, рост их резко замедляется. Так, например, у овса избыток меди вызывает побеление кончиков листьев, задержку роста первичных и образование вторичных корней, подавление формирования корневых волосков, замедление роста надземной части.

Никель

Количество никеля, поступающего в атмосферу из природных источников, составляет 26,0 тыс. т, тогда как из источников антропогенного происхождения -- 47,4 тыс. т. Он широко применяется в электротехнике и производстве сплавов, используемых для чеканки монет.

Под влиянием никеля подавляется прорастание семян табака, рост стеблей и корней, происходит отмирании точек роста. Одна из причин торможения роста растений -- ослабление интенсивности фотосинтеза. Листья подсолнечника, содержащие в 1 кг своей массы 79 мг никеля, фотосинтезируют в два раза слабее, чем контрольные растения. Другая причина обусловлена изменениями в регуляторной системе растений. Отмечено, что под влиянием никеля в верхних листьях томатов происходит повышение количества флавон-3-глюкозида. Исследователи считают, что уродства, возникающие под действием никеля на растения, обусловлены именно накоплением фенольных соединений.

Цинк

В атмосферу Земли поступает значительное количество цинка. Естественные источники дают 43,5 тыс. т, а источники антропогенного происхождения -- 314,4 тыс. т. Из атмосферы этот элемент может поступать в водоемы, а затем в живые организмы.

Цинк относится к числу микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности растений. Тем не менее, высокие концентрации его отрицательно сказываются на растениях. Одной из причин токсичности этого металла является то, что цинк относится к числу элементов, интенсивно накапливающихся в растениях. Сосна веймутова, клен красный и ель обыкновенная энергично поглощают цинк, причем между скоростью этого процесса и содержанием цинка в питательной среде существует прямая зависимость. В результате избыточного накопления цинка у растений возникают симптомы отравления: подавление роста корней, образование некрозов, карликовость, увядание, ускорение опадения листвы.

Мышьяк

Загрязнение окружающей среды мышьяком происходит в результате выбросов предприятий, работающих на ископаемом топливе, в процессе переработки сульфидных руд цветных металлов и серного колчедана, в состав которых он входит в виде примеси, а также при использовании некоторых средств защиты растений.

Мышьяк накапливается в почве, откуда поглощается растениями. Интенсивность поглощения этого элемента наземными растениями обычно невелика. Однако растения, выращенные на шахтных отвалах, накапливают его сравнительно много. Морские водоросли интенсивно поглощают мышьяк, при этом концентрация его в клетках выше 10^-6 М является ингибирующей для метаболитических процессов.

Токсическое влияние оказывают на растения и другие металлы, загрязняющие природную среду: бериллий, марганец, ванадий, хром, титан, серебро и др.

Органические вещества

К числу органических веществ, загрязняющих окружающую среду, относятся предельные, ненасыщенные, гидроароматические и ароматические углеводороды и их производные -- спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, эфиры. Ассортимент органических веществ, загрязняющих воздух, воду и почву, постоянно растет, и ученые не успевают изучать их влияние на живые организмы.

На некоторых химических предприятиях воздух загрязнен формальдегидом, муравьиной кислотой и другими веществами. У овсяницы луговой и тимофеевки луговой формальдегид вызывает заметное увеличение проницаемости мембран. У газонных трав под влиянием этого вещества отмечено частичное снижение интенсивности фотосинтеза.

В условиях теплицы, отапливаемой нефтепродуктами с целью обогрева и обогащения воздуха углекислым газом, вредное влияние на растения оказывает не только сернистый газ, но и олефины (этилен, пропилен, бутилен), которые накапливаются в результате неправильного функционирования топок, а также при работе в теплицах двигателей внутреннего сгорания. Этилен особенно ядовит для гвоздик, орхидей, тюльпанов, нарциссов и хризантем. Он приводит к преждевременному сбрасыванию листьев, что весьма нежелательно.

Одним из самых распространенных загрязнителей водоемов является фенол. Вода, загрязненная этим токсикантом, имеет коричневую окраску и характерный запах. Она приводит к отмиранию всего живого. По берегам рек гибнет растительность. Обработка парами фенола (концентрация 5--50 мг/м³) лиственных побегов древесных пород вызывает повышение содержания фенольных соединений в растениях наряду со снижением количества пигментов и углеводов в листьях. Этот эффект находится в прямой зависимости от концентрации фитотоксиканта и продолжительности его воздействия.

Широко распространенными загрязнителями окружающей среды органической природы являются пестициды. В настоящее время в мировом сельском хозяйстве ежегодно применяется около 2 млн. т этих веществ. Ядохимикаты могут попадать в гидросферу. Пути их поступления в водную среду различны: с ливневыми и талыми водами, со стоками промышленных предприятий, изготавливающих пестициды, при обработке с помощью авиации территорий, примыкающих к водоемам. Возможны и другие пути загрязнения водной среды ядохимикатами: в результате мытья тары из-под пестицидов, транспорта, использовавшегося для их перевозки, и т. д.

Беспокойство ученых вызывает накопление в окружающей среде продуктов бытовой химии, в частности веществ, входящих в состав стиральных порошков. В водоемы попадает большое количество детергентов, широко используемых для изготовления моющих средств, в производстве синтетического каучука, на текстильных фабриках и т. д. Некоторые из них очень ядовиты и уничтожают в достаточно высокой концентрации всю фауну и флору. Ядовитость их усиливается тем, что они препятствуют поступлению кислорода внутрь водоема.

Моря и океаны сильно загрязнены нефтью и нефтепродуктами. Значительное их количество поступает в гидросферу при морской транспортировке нефти, при сравнительно частых авариях нефтеналивных танкеров, а также в результате аварий на морских буровых платформах. Доля, вносимая в загрязнение гидросферы морскими буровыми установками, постоянно растет. Загрязняют морскую воду нефтью и нефтепродуктами пассажирские, грузовые и военные суда. Нефтяная пленка на поверхности морей и океанов нарушает газообмен и влагообмен между атмосферой и гидросферой, угнетает развитие планктона. Растворимые в воде компоненты нефти отравляют обитателей морей и океанов.

Канцерогены

К опасным загрязнителям природной среды относятся канцерогенные вещества. Источники их разнообразны. Наибольшую долю канцерогенов составляют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Типичными представителями ПАУ являются бензпирен и бензаптрацен. Источниками ПАУ служат процессы синтеза при термическом разложении органических веществ (углей, сланцев, торфа, древесины), при крекинге и пиролизе нефти и нефтепродуктов. ПАУ формируются также при работе двигателей внутреннего сгорания. Так, в 1 м³ выхлопных газов автомобилей содержится около 0,5 мкг бензпирена. В наибольшей степени он загрязняет обочины дорог и придорожную полосу шириной до 20 м.

ПАУ оказывают влияние на рост и другие физиологические процессы растений. Такие вещества, как бензпирен, бензантрацен, при увеличении концентрации вызывают деструкцию клеток корня кукурузы. Наиболее заметные изменения наблюдались в рибосомах, митохондриях, пластидах и ядрах клеток. Определенные концентрации ПАУ приводят к возникновению у растений различных аномалий, в том числе опухолей.

Радиоактивные вещества

Пристальное внимание исследователей привлекает проблема загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Радиоактивные элементы могут попадать в окружающую среду в результате взрывов атомных и водородных бомб. Испытания ядерного оружия в 50-х годах привели к выпадению радиоактивных осадков.

В наземные растения радиоактивные вещества могут поступать как через листья, стебли и соцветия, так и через корни. В среднем за вегетационный период травянистым покровом зоны умеренного климата задерживается около 25% общего количества радиоактивных веществ, поступивших на земную поверхность. В хвойных лесах выпадающие радиоактивные вещества почти полностью задерживаются в кронах древесных растений.

Радиоактивные вещества, задержанные растениями, смываются осадками, сдуваются ветром, удаляются вместе с опадающими листьями и ветвями, отделяющимися частицами коры. К концу вегетации в растениях остается лишь 2--10% общего количества радиоактивных веществ, поступивших на поверхность растительного покрова в течение вегетационного периода.

Даже в очень малых дозах радиоактивные вещества оказывают на растения очень сильное действие, нередко выражающееся в стимуляции роста. В больших дозах ионизирующие излучения резко тормозят рост главного побега, способствуют появлению ростовых аномалий, вызывают гибель растений. Уже в 1956 г. были зафиксированы патологические сдвиги у растений: гибель, хлороз, деформации. Цитологические исследования позволили установить, что радиация нарушает процесс нормального деления клеток, способствует возникновению мутаций, уродств и опухолей.

Пыль

Особенно много ее осаждается в промышленных городах. Пыль сама по себе, а также благодаря образованию туманов поглощает солнечные лучи. При этом ультрафиолетовое излучение снижается в 5--10 раз. Только, за 25 лет с начала второй мировой войны запыленность атмосферы в результате деятельности человека возросла на 70%, а суммарная солнечная радиация в связи с этим сократилась на 1%.

Пылевидные частицы, содержащиеся в воздухе во взвешенном состоянии, оседают на надземных органах растений под действием гравитационных и электрических сил или прилипания. Осевшие пылевидные частицы оказывают на растения разнообразные влияния. В основном их можно подразделить на физические и химические. Физические воздействия связаны с образованием чехла, препятствующего нормальному тепло- и влагообмену листа с атмосферой и уменьшающего доступ к растению света. Химическое влияние обусловлено содержанием в пыли водорастворимых соединений. Эти соединения могут поступать в растения и оказывать влияние на обмен веществ.

Запыленность нарушает работу устьичного аппарата, ограничивает процесс транспирации, способствует повышению температуры листьев на 2--4^о, а иногда на 8--10°С по сравнению с незапыленными листьями, ослабляет процесс фотосинтеза, особенно при слабом освещении, понижает уровень Сахаров в тканях, темпы накопления сухого вещества и роста растений, уменьшает их урожай, ухудшает качество растениеводческой продукции.

5. КОМБИНИРОВАННОЕ ДЕЙСТВИЕ ФИТОТОКСИКАНТОВ

В природной обстановке растениям приходится сталкиваться с действием не одного, а нескольких фитотоксикантов. Теоретически в этом случае возможно как усиление, так и ослабление силы действия отдельных загрязнителей на растения. Чаще всего при действии двух или трех токсических веществ наблюдается заметное усиление их влияния. Такой эффект имеет место при обработке растений смесями сернистого газа с окислами азота, с озоном, с хлористым водородом. Токсичность озона в отношении гороха возрастала при одновременной обработке растений никелем или кадмием. В опытах с петунией, томатами и геранью токсичность смеси сернистого газа и окиси азота возрастала при добавлении озона.

Следует отметить, что не при всех комбинациях вредных веществ происходит усиление их действия на растения. Однако случаи ослабления повреждающего действия токсикантов при совместном применении наблюдаются довольно редко.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретический анализ литературы по проблеме влияния промышленного загрязнения на фотосинтетический аппарат растений свидетельствует о глобальном загрязнении атмосферы, гидросферы и почвы самыми разнообразными химическими веществами, многие из которых оказывают сильное влияние на живые организмы. В настоящее время задача заключается в том, чтобы исправить ошибки, допущенные в прошлом, резко ограничить доступ в окружающую среду ядовитых и вредных веществ, направить усилия на уменьшение в ней накопленных ранее токсических, канцерогенных и радиоактивных соединений.

Меры, принимаемые в этом отношении в нашей стране, а также в некоторых других странах, весьма своевременны. Однако не следует обольщаться достигнутым, ибо сделанное в области охраны природы -- лишь начало большой и сложной работы.

Растения сильно повреждаются токсическими веществами, находящимися в атмосфере, гидросфере и почве. В настоящее время мы еще недостаточно внимательно относимся к фактам снижения продуктивности культурных растений под влиянием загрязнителей. Между тем это приводит к большим материальным издержкам, к снижению эффективности сельскохозяйственного производства в зонах присутствия фитотоксикантов. Особенно сильный ущерб наносят загрязнители городским посадкам. В связи с этим особую остроту приобретает проблема устойчивости растений к загрязнителям воздуха и воды, а также проблема защиты полезных растений от их токсического влияния.

В результате, можно сказать, что проблема промышленного загрязнения фотосинтетического аппарата растений остается актуальной. Весьма важно, чтобы каждый человек осознал всю опасность, нависшую над ним самим, его детьми и внуками в результате глобального загрязнения окружающей среды. Весьма важно осознать и то, что каждый из нас может сделать очень и очень многое для сохранения чистоты воздуха и воды. Один из путей, ведущих к этому,-- всемерная забота о расширении площади зеленых насаждений. Ибо растение -- это мощная, бесперебойно действующая очистительная установка, умело созданная в ходе эволюции природой.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Артамонов В.И. Растения и чистота окружающей среды. - М.: Наука, 1986. - 172с.

2. Майснер А.Д. Жизнь растений в неблагоприятных условиях / Рец. В. Л. Калер - Мн.: Вышэйшая школа, 1981. - 96с.

3. Сергейчик С.Л. и др. Экологическая физиология хвойных пород Беларуси в техногенной среде / НАНБ: Центральный ботанический сад: С.А. Сергейчик, А.А. Сергейчик, Е.А. Сидорович - Мн.: Бел. навука, 1998. - 199с.

4. Горышкина Т.К. Фотосинтетический аппарат растений и условия среды / ЛГУ. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. - 202с.

5. Болбас М.М. и др. Основы промышленной экологии. Автомобильный транспорт.: учеб. пособие для вузов / М.М. Болбас, Р.Я. Пармон, Е.Л. Савич; под общ. ред. М.М. Болбаса. - Мн.: Выш. шк., 1993. - 235с.

6. Антропогенное загрязнение окружающей среды территории Беларуси и Брестской области / Брестский областной комитет по экологии; БрГУ; Брестский областной отдел Географического общества РБ. - Брест: Областной комитет по экологии, 1996. - 112с.

7. Гридэл Т.Е. Промышленная экология: учеб. пособие для студ. вузов / Т.Е. Гридэл, Б.Р. Алленби; пер. с англ. С.Э. Шмелева, под ред. Э.В. Гирусова. - М.: ЮНИТИ, 2004. - 513с.

8. Введение в экологию / Ю.А. Казанский, И.И. Крышев, Н.С. Работнов и др.; сост. О.В. Сальникова; под ред. Ю.А. Казанского. - М.: ИздАТ, 1992. - 112с.

9. Давыдова С.Л. О токсичности ионов металлов / С.Л. Давыдова. - М.: Знание, 1991. - 129с.

10. Сергейчик С.А. Устойчивость древесных растений в техногенной среде. - Мн.: Навука i тэхнiка,1994. - 279с.

11. Сергейчик С.А. Древесные растения и оптимизация промышленной среды. - Мн.: Навука i тэхнiка, 1984. - 128с.

12. Гетко Н.В. Растения в техногенной среде. - Мн.: навука i тэхнiка, 1989. - 268 с.

13. Давыдова С.Л. Растения и химические канцерогены. - Л.: Наука, 1979. - 242 с.

14. Эколого-физиологические исследования фотосинтеза и дыхания растений / АНСССР, Всесоюзн. ботанич. общ-во; отв. ред. О.А. Семихатова. - Л.: Наука, Ленинград. отд-ние, 1989. - 190 с.

Размещено на Allbest.ru