Глава 2. Растения — индикаторы загрязненности окружающей среды

В настоящее время разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды (Израэль, 1979), составной частью которого должен быть биологический мониторинг, осуществляемый на станциях фонового мониторинга. Большое внимание, уделяемое ныне биологическому мониторингу, определяется рядом обстоятельств.

Во-первых, измерение физических и химических параметров загрязненности природной среды более трудоемко по сравнению с методами биологического мониторинга.

Во-вторых, в окружающей человека среде нередко присутствует не один, а несколько токсичных компонентов. При этом довольно часто возникает синергизм в их действии на живые организмы, при котором суммарный эффект превышает действие, оказываемое каждым компонентом в отдельности. Иными словами, концентрация каждого отдельного компонента комплекса загрязнителей, фиксируемая с помощью физико-химических методов, может казаться неопасной для живых организмов, тогда как их совокупное влияние является угрожающим. Этот синергизм не учитывается физико-химическими методами изучения загрязненности природной среды, однако он выявляется при использовании биоиндикации, т. е. при наблюдении непосредственного воздействия загрязнителей природной среды на живые организмы.

Разумеется, биологический мониторинг не подменяет и не вытесняет физико-химических методов исследования состояния природной среды. Однако его использование позволяет существенно повысить точность прогнозов сдвигов в экологической обстановке, вызванных деятельностью человека.

Принципы биологического мониторинга в настоящее время интенсивно разрабатываются. Весьма важным элементом его является растительный мир, который очень чутко реагирует па загрязненность окружающей человека среды. Не удивительно, что исследователи рассматривают растения как наиболее чувствительные и надежные индикаторы загрязненности атмосферы и гидросферы.

Растения, произрастающие в городе, страдают от выхлопных газов автомобилей и дыма труб. Они рано стареют, редеет и уродуется их крона, преждевременно желтеют и опадают листья. Если сосны растут поблизости от промышленного предприятия, то хвоя опадает тем быстрее, чем сильнее загрязнен воздух. В норме хвоя сосны опадает через 3–4 года, тогда как поблизости от промышленных предприятий значительно раньше.

В индикаторной роли древесных растений нетрудно убедиться во время прогулки по большому городу. Липы, растущие в боковых тихих улочках со слабым автомобильным движением, чувствуют себя прекрасно. Их крона темно-зеленая, развесистая. Совсем по-другому выглядят липы на магистралях с интенсивным движением транспорта. Здесь немало угнетенных деревьев, особенно растущих возле светофоров. Дело в том, что при торможении автомашин в атмосферу попадает особенно много фитотоксикантов, которые сильно угнетают растения. Листья у них словно обгоревшие, а ветви, обращенные в сторону автомагистрали, нередко засохшие, отчего крона выглядит однобокой. Сравните дерево, растущее возле самой дороги и расположенное во втором ряду посадок. Они также существенно отличаются.

Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, так и для оценки общего качественного состояния природной среды. Фитотоксическое действие атмосферных загрязнителей выявляется путем наблюдения за дикорастущими и культурными растениями, произрастающими в зоне загрязнения. В ходе наблюдений прежде всего необходимо исключить возможность повреждения растений биотическими или же абиотическими факторами, не связанными с загрязнением окружающей среды.

Следует заметить, что растения одного какого-то вида могут оказаться устойчивыми к действию того или иного загрязнителя. В связи с этим общее качественное состояние природной среды невозможно охарактеризовать путем изучения только одного вида. Таким образом, т. е. с помощью мониторинга на уровне вида, возможна специфическая индикация одного какого-то загрязнителя.

Мониторинг на уровне вида включает в себя констатацию присутствия растения, учет частоты его встречаемости, изучение анатомо-морфологических и физиологобиохимических свойств. При этом может учитываться, например, ширина годичных колец, площадь поврежденной поверхности листьев, аномалии роста, мощность воскового налета, содержание хлорофилла, активность некоторых ферментов.

Обнаружив по состоянию дикорастущих и культурных растений присутствие в воздухе специфических загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ путем стандартной экспозиции некоторых растений в обследуемом районе. Р. Гудериан (1979) предлагает использовать при этом следующие методы:

1. Экспозиция растений в контейнерах или на делянках.

2. Экспозиция в тест-камерах с фильтрованным и нефильтрованным воздухом.

3. Экспозиция на специальных стендах.

4. Испытание растений в лабораторных условиях.

На всех этих объектах производится количественное измерение отдельных реакций на загрязнение (степень повреждения листьев, скорость роста, величина урожая). Для количественной характеристики предлагается использовать генетически однородный растительный материал и стандартные условия выращивания.

Наряду с мониторингом на уровне вида используется мониторинг на уровне сообществ. При этом учитываются различные показатели разнообразия видов. Так, например, был предложен метод, в основе которого лежит способность диатомовых водорослей успешно расти на стеклах. Он позволяет фиксировать как изменения в структуре сообщества диатомовых водорослей, так и в видовом составе при воздействии загрязнений, находящихся в водной среде. При естественных условиях структура сообщества диатомовых водорослей остается довольно постоянной во времени. Однако, если в водную среду поступают загрязнения, богатые биогенными элементами (азотом, фосфором, углеродом), некоторые виды становятся очень многочисленными. При поступлении же токсических веществ наблюдается типичное снижение числа видов и величины популяций, хотя иногда некоторые виды, устойчивые к токсикантам, становятся очень многочисленными из-за отсутствия конкуренции за пищу. Такие диатометры можно помещать в различные участки реки. В ряде случаев они могут быть использованы для обнаружения присутствия небольших количеств тяжелых металлов или радиоактивных материалов, поскольку некоторые металлы концентрируются водорослями до количеств, в тысячи раз превышающих их содержание в окружающей среде.

Как на уровне вида, так и на уровне сообщества о состоянии природной среды можно судить по показателям продуктивности растений. Дело в том, что изменения в экологической обстановке сказываются на круговороте биомассы и потоках энергии в сообществах.

Среди методов мониторинга природной среды важное место принадлежит учету содержания загрязнителей в живых организмах. Некоторые анатомо-морфологические и физиолого-биохимические признаки растений могут служить критерием количества поглощенного растениями фитотоксиканта. Однако прямая зависимость между количеством поглощенного загрязнителя и интенсивностью проявлений этих признаков может отсутствовать. В связи с этим становится целесообразным непосредственное измерение его количества в растительном материале. Для этой цели удобно использовать такие растения, которые обладают устойчивостью к загрязнителям и в то же время селективно аккумулируют их. Так, например, для определения содержания в воздухе соединений фтора предлагается анализировать малочувствительные к ним растения плевела многоцветкового и плевела многолетнего. По величине накопления фитотоксикантов в листьях за определенный период можно определить среднее его содержание в окружающем воздухе.

Для оценки загрязненности атмосферы вредными примесями в прошлом японские исследователи предлагают использовать анализ строения годичных колец деревьев. С этой целью рекомендуется исследовать очертания самих колец, а также плотность ранней и поздней древесины.