Экология / Рефераты

RSS-лента | Поиск | О проекте | Обратная связь
Экология, всё об экологии
— Вернуться на главную страницу | — Вернуться к списку рефератов

 Древесные растения и биологическая консервация промышленных загрязнителей

Авторы: Кулагин А.А., Шагиева Ю.А.

Экологические проблемы, вызванные хозяйственной деятельностью человека, имеют комплексный характер. В значительной степени они обусловлены включением в миграционные потоки всех основных цепей техногенных токсикантов, в том числе и тяжелых металлов. Доля металлов в выбросах промышленных предприятий достигает 80–90 % от общей массы. Среди множества видов деятельности человека добыча, переработка и утилизация полезных ископаемых при существующих технологиях наносят наибольший вред естественным местообитаниям животных и растительных организмов, изменяют природные ландшафты, вызывают деградацию существующих биогеоценозов, нарушение связей в биоте, осложнение экологической и санитарной обстановки в населенных пунктах и т.д. Загрязнение окружающей среды происходит за счет развеивания и размывания хвостохранилищ обогатительных фабрик, отвалов руды и рудовмещающих пород, образующих интенсивные потоки рассеяния в водные системы и локальные ареалы рассеяния в почву. Значительную долю в потоке поллютантов составляют пылегазовые выбросы в атмосферу в процессе обогащения руды и пылевые выбросы при открытых горных разработках, загрязняющие атмосферу и приводящие к техногенным аномалиям почв. Избыточное количество отходов, поступающих в процессе функционирования горнодобывающих предприятий, приводит к нарушению устойчивого равновесия в природных экосистемах.
Исследования особенностей аккумуляции тяжелых металлов древесными растениями связаны с необходимостью оценки биосферных и средостабилизирующих функций древесных, выполняющих роль фитофильтра на пути распространения поллютантов в окружающей среде. Древесные растения поглощают и нейтрализуют часть атмосферных поллютантов, задерживают пылевые частицы, сохраняя прилегающие территории от пагубного воздействия экотоксикантов.
При выборе древесных пород для создания санитарно-защитных насаждений и рекультивации нарушенных земель предпочтение отдается в первую очередь тем породам, которые являются коренными обитателями мест предполагаемой высадки, отличаются малотребовательностью к условиям произрастания, высокой засухо- и морозоустойчивостью, характеризуются быстрым ростом, декоративностью, устойчивостью к промышленным загрязнителям и способностью их аккумулировать в наибольшей степени.
Однако способность растений аккумулировать большое количество металлов не может выступать в качестве единственного критерия при составлении ассортимента пород для "зеленого строительства". Взаимодействие "металл – растение" сложное и многогранное явление, при котором необходимо учитывать особенности попадания токсиканта в окружающую среду, фитотоксичность поллютантов, ответные реакции организма на попадание токсичных ингредиентов в окружающую среду и растение, а также множество других аспектов. Основной целью настоящей работы является исследование морфофизиологических изменений при биоаккумуляции металлов в древесных растениях, выявление особенностей адаптации и устойчивости древесных растений в условиях полиметаллического загрязнения окружающей среды.
В работе представлена краткая физико-географическая характеристика республики Башкортостан с описанием уникальности природно-климатических условий региона исследований; приводится методологическая часть, в которой отражены подходы к проведению исследовательских работ, а также дана краткая эколого-ботаническая характеристика исследуемых видов древесных растений с точки зрения их использования при создании санитарно-защитных насаждений. Фактический материал представлен в виде отдельной главы, где описана роль металлов в жизни растений, животных и человека. Затем последовательно характеризуются особенности развития растений в условиях загрязнения окружающей среды металлами, особенности биоаккумуляции и повреждений растений металлами; приведены характеристики анатомо-морфологических и физиологических изменений, которые происходят в растениях под действием металлов. В конце книги представлены материалы, посвященные общей характеристике состояния лесных экосистем, биоаккумуляции металлов древесными растениями и оценке адаптивных изменений, происходящих в растениях при произрастании в условиях техногенеза.

Биологическая консервация загрязнителей и адаптация древесных растений в условиях загрязнения окружающей среды металлами

Взаимодействие растений с металлами, которые находятся в атмосфере и почвогрунтах, с одной стороны, обеспечивает миграцию элементов в пищевых цепях, при том, что эти элементы являются необходимыми составными компонентами растений; с другой стороны – происходит перераспределение избытков некоторых элементов, в основном техногенного происхождения, в биосфере. Способность растений концентрировать в своих органах и тканях часть промышленных эксгалатов используется человеком уже многие десятилетия. На фоне широкого распространения практики создания санитарно-защитных лесополос механизмы устойчивости растений к промышленным поллютантам и их адаптационный потенциал исследованы недостаточно. Известно, что устойчивость растений в условиях техногенеза определяется многими факторами.
Пути миграции загрязнителей окружающей среды в биосфере многочисленны. Однако они всегда проходят через уровень продуцентов. Часть поллютантов проникает в растения через листья, часть – через корневую систему. Некоторая доля аккумулируется в многолетних органах растений, а какое-то количество – в листьях. Известно, что благодаря явлению листопадности древесные растения способны избавляться от части токсичных соединений, накапливающихся в них. Этот способ, наряду с гуттацией и корневыми выделениями, является защитным механизмом, предохраняющим растительный организм от интоксикации и гибели. Следует отметить, что большая часть опавших листьев оказывается в непосредственной близости от деревьев, особенно в густых насаждениях, чем обеспечивается вторичное загрязнение верхнего слоя почвы токсикантами, содержащимися в ассимиляционных органах. Таким образом, основным путем поступления токсичных компонентов среды, в том числе и металлов, является корневая система. Несмотря на негативные последствия для растительных организмов, вызываемые первичным и вторичным загрязнением окружающей среды, биогеохимический цикл миграции токсикантов прерывается.
Проведенные исследования выявили видовые особенности аккумуляции различных металлов некоторыми древесными растениями, произрастающими в условиях техногенеза. Так, соотношение бария, содержащегося в растении и почве, т.е. коэффициент накопления для березы бородавчатой при произрастании в карьере хромитового месторождения составил 1,3, что несколько меньше по сравнению с контролем – 2,0. Коэффициент накопления бария сосной обыкновенной при произрастании на отвалах марганцевого месторождения равен 0,4, а березы в тех же условиях – 0,9.
Количество марганца в грунтах необлесенного участка отвалов буроугольного месторождения на 30 % больше по сравнению с аналогичными облесенными территориями. Наибольший коэффициент накопления марганца у сосны – 5,8, наименьший – у березы (2,0), промежуточное положение занимает лиственница Сукачева – 5,3. В условиях роста на отвалах марганцевого месторождения коэффициент накопления меди растениями березы 0,3, что несколько выше по сравнению с сосной – 0,2. При произрастании березы в карьере хромитового месторождения отмечается значительное увеличение коффициента аккумуляции до 0,6, что выше относительно контроля – 0,4. В почвогрунтах под насаждениями березы, произрастающими на отвалах буроугольного месторождения, цинк обнаруживается лишь в следовых количествах при этом среднесуммарное содержание цинка в органах растения 451 ррm. Коэффициент накопления цинка при произрастании в идентичных условиях лиственницей составляет 7,8. В почвогрунтах отвалов хромитового месторождения и в контроле цинк обнаруживается в следовых количествах. Коэффициент аккумуляции цинка растениями березы (2,8), произрастающих на отвалах марганцевого месторождения значительно больше соответствующего показателя для сосны (1,0).
При произрастании на отвалах буроугольного месторождения отмечено увеличение коэффициента биоаккумуляции свинца в ряду береза – лиственница – сосна (1,8–2,3–3,9). В условиях произрастания на отвалах марганцевых руд наблюдается противоположная картина: 0,2 – для березы и 0,08 – для сосны. В контрольных условиях коэффициент аккумуляции для березы составляет 0,2.
Содержание железа в растениях и почвогрунтах исчисляется десятками тысяч ррm. При этом коэффициент накопления железа в растениях березы и сосны в условиях произрастания на отвалах марганцевого месторождения не различается и составляет 0,1. Незначительные различия в накоплении железа отмечены для контрольных условий и карьера хромитового месторождения, где произрастает береза. Коэффициент поглощения железа в контроле – 0,07, а в карьере – 0,06.
Коэффициенты накопления стронция растениями лиственницы и березы не различаются и составляют 4,8; для сосны этот коэффициент составил 2,0. Особенности перераспределения стронция характерны для отвалов буроугольного месторождения. Коэффициент аккумуляции стронция для березы значительно превосходит аналогичный показатель для сосны при произрастании на отвалах марганцевых руд – 1,0 и 0,6, соответственно. При развитии березы на грунтах карьера хромитового месторождения коэффициента накопления стронция составляет 0,6, что не отличается от контрольного значения.
У древесных растений, развивающихся на отвалах буроугольного месторождения, наблюдается резкое увеличение коэффициента накопления кадмия в ряду береза – лиственница – сосна (6,7–97,6–238). Одновременно с этим коэффициент биоаккумуляции кадмия при произрастании на отвалах марганцевого месторождения для березы составил 8,7, в то время как для сосны 3,9. Для контрольных растений березы коэффициент биоаккумуляции кадмия 80,0, а у берез, произрастающих в карьере хромитового месторождения – 44,5. Распределение никеля в системе "почва–растение" характеризуется десятикратным увеличением коэффициента накопления металла растениями березы по сравнению с лиственницей – 0,7 и 0,07.
Особенности перераспределения металлов в системе "почва–растения" позволяют сделать вывод, что аккумулирующая способность древесных растений во многом зависит от условий произрастания и способности растений препятствовать проникновению металлов внутрь организма. Следует отметить, что исследуемые насаждения представляют собой 30-летние культуры, полнота которых составляет до 5000 шт./га, средний диаметр рас¬тений – 20 см, густота кроны не превышает 0,7, средняя высота растений – 5–7 м, у отдельных растений отмечается слабое плодоношение, при этом насаждения относятся к III–IV классу бонитета. Таким образом, на основании характеристик лесных культур и биоаккумулятивных свойств древесных растений можно произвести расчет количества металлов, накапливающихся в насаждениях и, соответственно, оценить тот вклад, который вносят растения в сохранение окружающей среды.
Показано, что насаждения березы бородавчатой и лиственницы Сукачева по сравнению с насаждениями сосны обыкновенной обладают наибольшей способностью к аккумуляции техногенных металлов.
Накопление металлов растениями, несомненно, определяет их средостабилизирующую и биосферную функции. Однако основы устойчивости и адаптивного потенциала растений в условиях техногенеза во многом остаются неизученными. Полученные нами данные о морфофизиологических изменениях в древесных растениях в техногенных условиях позволяли сделать заключение об отсутствии специфических реакций растений на различных уровнях организации – молекулярном, физиологическом, клеточном и тканевом.
Изучение влияния металлов на содержание пигментов в листьях тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) показало, что сумма хлорофиллов и каротиноидов к концу эксперимента в опытных образцах снижается (в случае ионов К+, Са2+, Mg2+ и Рb2+), увеличивается (ионы Ва2+ и Zn2+) и не изменяется (ионы Na+, Mn2+ и Си2+) по сравнению с контрольными. При действии на растения ионов металлов изменяется соотношение пигментов. Известно, что основным из фотосинтетических пигментов растений является хлорофилл А. При уменьшении содержания хлорофилла А в листьях происходит увеличение доли вспомогательных пигментов – хлорофилла В или каротиноидов, что может рассматриваться как адаптивная реакция ассимиляционного аппарата растений тополя бальзамического на избыток ионов металлов в растительном субстрате.
Установлено, что изменения в соотношении различных пигментов в листьях опытных растений в результате действия ионов К+ в длительном эксперименте выглядит следующим образом: снижается доля хлорофилла А и каротиноидов и резко увеличивается количество хлорофилла В, затем отмечается значительное снижение доли хлорофилла В при увеличивающемся количестве каротиноидов, к концу эксперимента соотношение пигментов несколько отличается от контрольного – возрастает доля каротиноидов при снижении доли хлорофиллов в листьях. Ионы Na+ и Са2+ в целом обуславливают сходный характер изменений соотношения отдельных пигментов за исключением 12- и 24-х суток эксперимента, когда доля хлорофилла В значительно возрастает по отношению к хлорофиллу А и каротиноидам при действии Са2+. Действие ионов Mg2+ характеризуется довольно резкими изменениями в соотношении отдельных пигментов в листьях тополя бальзамического на протяжении всего эксперимента. Следует отметить, что к концу эксперимента доля хлорофилла А в листьях опытных растений по сравнению с контролем снижается.
При действии Ва2+, Zn2+ и Рb2+ происходят скачкообразные изменения содержания пигментов в листьях тополя бальзамического. Показано, что большую часть эксперимента количество хлорофилла А в листьях опытных растений было меньше относительно контрольных образцов. К концу эксперимента отмечается снижение доли хлорофилла А при увеличении долей хлорофилла В и каротиноидов в листьях опытных растений относительно контрольных образцов.
Ионы Мn2+ и Сu2+ оказывают угнетающее действие на пигментный комплекс листьев тополя бальзамического в первой половине эксперимента, что выражается в снижении относительного количества хлорофилла А и увеличении доли второстепенных пигментов; во второй половине эксперимента доля хлорофилла А по сравнению с другими пигментами увеличивается относительно контроля (в отличие от других металлов). При этом доля хлорофилла В и каротиноидов снижается.
Ионы металлов оказывают различное влияние на дыхание листьев тополя бальзамического (Populus balsamifera L.). Исследования в этом направлении позволили выделить несколько типов ответных реакций, выражающихся в изменении дыхания листьев: 1) после воздействия металлов (до 9-х суток) дыхание листьев опытных растений тополя резко снижается относительно контроля, затем отмечается увеличение дыхания (15-е сутки), повторное резкое снижение (24-е сутки) и нормализация дыхания к концу эксперимента – для ионов Ва2+, Mg2+ и Рb2+; 2) сразу после обработки растений значение дыхания листьев резко снижается, затем наблюдается увеличение, после чего отмечается повторное незначительное снижение и нормализация дыхания – для ионов К+ и Сu2+; 3) вначале происходит увеличение, затем резкое снижение, а на 15-е сутки нормализация дыхания листьев опытных растений – для ионов Na+ и Мn2+ и 4) ионы металлов не оказывают значительного влияния на дыхание листьев, происходят лишь незначительные изменения дыхания опытных растений в ходе эксперимента для ионов Zn2+.
По характеру изменений дыхания листьев тополя Са2+ можно отнести к первой группе. Однако в отличие от бария, магния и свинца, отнесенных к этой группе, при действии Са2+ не происходит нормализации дыхания листьев опытных растений к концу эксперимента.
Выживание растений в условиях солевого стресса, каковым может считаться избыточное содержание катионов в окружающей среде, неизбежно сопряжено с увеличивающимися затратами энергии, высвобождающейся при дыхании. Эта энергия расходуется на поддержание баланса элементов между растением и окружающей средой. Интенсивность дыхания и изменения дыхания растений, таким образом, могут служить интегративными показателями состояния организма в условиях стресса. Установлено, что при действии ионов К+, Na+, Ba2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+ и Рb2+ происходит полное восстановление дыхания листьев тополя бальзамического в течение 30 суток. Лишь в случае с Са2+ отмечается 30 %-е снижение дыхания листьев опытных растений.
Обнаружение поливариантности ответных реакций тополя на резкое увеличение концентрации металлов в окружающей среде, выражающейся в изменении дыхания и содержания пигментов фотосинтеза в листьях, позволяет сделать заключение о функционировании комплекса адаптивных механизмов на молекулярно-физиологическом уровне, работа которого направлена на стабилизацию энергетических затрат в условиях стресса. Следует отметить, что полное восстановление дыхания происходит как в случае с высокотоксичными ионами (Рb2+ и Сu2+), так и в случае с ионами макроэлементов (Na+ и К+) и микроэлементов (Mg2+ и Мn2+). Кроме того, механизмы интоксикации высокотоксичных ионов (Рb2+ и Сu2+) сходны с механизмами интоксикации малотоксичных ионов (Mg2+ и К+).
Металлы являются неотъемлемой составной частью природных биогеохимических циклов. Перераспределение металлов происходит за счет процессов выветривания и вымывания горных пород, вулканической деятельности, природных катаклизмов. В результате этих природных явлений нередко формируются природные геохимические аномалии. В последнее столетие интенсивная хозяйственная деятельность человека, связанная с добычей и переработкой полезных ископаемых привела к образованию техногенных геохимических аномалий.
На протяжении многих веков древесные растения приспосабливались к изменениям, которые естественным образом происходили в окружающей среде. Формирование адаптивного комплекса растений к условиям обитания связаны с масштабами этих изменений и скоростью их протекания. В настоящее время антропогенный пресс по интенсивности и своим масштабам нередко превосходит влияние экстремальных природных факторов. На фоне выявления феномена экологической видоспецифичности древесных растений установление факта отсутствия у растений металл-специфических ответных реакций имеет эколого-эволюционное значение, ставшее основой успешного их роста и развития в условиях действия экстремальных природных и техногенных факторов.

Источник:
Кулагин А.А., Шагиева Ю.А. Древесные растения и биологическая консервация промышленных загрязнителей / Отв. ред. Г.С. Розенберг. – М.: Наука, 2005. – 190 с.

Другие статьи, рефераты

Труба бурильная используется при спуске и подъеме в скважину породоразделяющего оборудования.