Почему кустарники более устойчивы к загрязнениям чем деревья

Почему кустарники более устойчивы к загрязнениям чем деревья

Растения в урбанизированной среде часто подвергаются воздействию комплекса неблагоприятных факторов. Способность приспосабливаться к ним и сохранять при этом свой жизненный потенциал является одним из определяющих условий существования растений и зависит от возможности адаптироваться к разнообразным стрессовым воздействиям. Ключевая роль при этом принадлежит общим механизмам устойчивости, функционирующим на этапе стресс-реакции и обеспечивающим защиту организма при кратковременном действии на растение повреждающих факторов различной природы [1; 7].

Одним из первичных неспецифических процессов, происходящих в клетках растений при действии любых стрессоров, является повышение проницаемости мембран. Мембраны, являясь динамическими структурами, способны быстро реагировать на отклонения в условиях существования, однако изменения, возникающие в них, влекут за собой каскад сдвигов в обмене веществ всей клетки. Структура мембран клеток растений определяет ее свойства, физиологическую активность и устойчивость к стрессам, так как антиоксиданты, встроенные в мембраны, предохраняют ее от разрушения окислителями и поддерживают оптимальные регуляторные функции [4].

Содержащиеся в атмосфере газообразные вещества проникают в межклетники листьев растений главным образом через устьица, далее они растворяются в воде, и на пути в клетку вступают в контакт с клеточной мембраной. Причины возрастания проницаемости мембран разнообразны. Ряд исследователей связывают их с изменением отношения Н+/Са2+ в мембранах, другие – ставят повышение проницаемости в зависимость от снижения уровня SH-групп и увеличения в мембранах дисульфидных связей, от образования в мембранах дефектных областей в липидах, которые являются результатом накопления свободных жирных кислот, продуктов перекисного окисления липидов. Наиболее же универсальным представляется объяснение зависимости проницаемости от концентрации АТФ в клетке. Действие экстремальных факторов ведет к снижению уровня АТФ, что влечет за собой нарушение функций мембран и ограничения в поддержании их структуры [6].

Поскольку мембраны устойчивых растений меньше повреждаются при стрессовых воздействиях, то можно ожидать, что системы регуляции проницаемости и поддержания гомеостаза работают у них эффективнее, чем у неустойчивых. Действительно, подобные данные выявлены для растений, устойчивых к засухе, высокой и низкой температуре, инфекции, гипоксии и аноксии. Поэтому проницаемость мембран растительных клеток может служить показателем устойчивости растений при разработке экспресс-методов диагностики, например путем определения интенсивности выхода из тканей электролитов [7].

Целью исследования явилось определение проницаемости клеточных мембран листьев деревьев и кустарников, произрастающих в условиях урбанизированной среды. В задачи работы входило выявить виды, более устойчивые к антропогенному загрязнению атмосферы.

Материал и методы исследования

Основные загрязнители атмосферы определяли общепринятыми методами [3]. О проницаемости клеточных мембран судили по выходу электролитов из вытяжки растительной ткани, измеряя величину ее электропроводности кондуктометрическим методом, единицы измерения – микросименсы на грамм сырой массы (мкСм/г-1) [5]. Статистическую обработку данных проводили с помощью программы STATISTIKA 6.0. Достоверность различий обсуждалась при 5% уровне значимости.

Объектами исследования служили деревья: береза повислая (Betula pendula Roth.), клен остролистный (Acer platanoides L.), липа мелколистная (Tilia cordata Mill.), рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.) и кустарники: пузыреплодник калинолистный (Physocarpus opulifolius (L.) Maxim.), сирень обыкновенная (Syringa vulgaris L.), карагана древовидная (Caragana arborescens Lam.), шиповник морщинистый (Rosa rugosa Thunb.). Исследования проводились в двух районах г. Йошкар-Олы: селитебной зоне (ул. Комсомольская) и промышленной зоне вблизи автотранспортной магистрали (ул. Строителей).

Результаты исследования и их обсуждение

При изучении загрязненности атмосферного воздуха было показано (рис. 1), что концентрация основных загрязнителей атмосферного воздуха г. Йошкар-Олы не превышает санитарно-гигиенических показателей. Однако растения более чувствительны к загрязнению атмосферного воздуха, чем люди, особенно к диоксидам серы и азота [4], концентрация которых в промышленных районах г. Йошкар-Олы была почти в два раза выше, чем в селитебной зоне. В промышленной зоне города отмечается также более высокое содержание взвешенных веществ: практически в 2 раза больше, чем в селитебной зоне. Соответственно, можно предположить, что основные загрязнители атмосферы могли оказать негативное воздействие на древесно-кустарниковые насаждения.

Рис. 1. Концентрация основных загрязнителей атмосферы в г. Йошкар-Оле

Загрязнение атмосферного воздуха на урбанизированной территории инициировало проведение научных исследований, связанных с оценкой состояния окружающей среды и разработкой мероприятий, направленных на улучшение и восстановление природных компонентов городской экосистемы. К числу таких компонентов, выполняющих ключевые средообразующие и средозащитные функции, относится в первую очередь древесно-кустарниковая растительность.

Одним из признаков негативного воздействия атмосферных загрязнителей на растения является повышение проницаемости клеточных мембран ассимиляционных тканей. Как видно из рисунка 2, максимальный выход электролитов из тканей листьев древесных растений отмечался у рябины обыкновенной (35,5 мкСм/г-1). Среди кустарников наиболее высокий выход ионов и низкомолекулярных веществ наблюдался у караганы древовидной и составил 45,3 мкСм/г-1. Существенно ниже была проницаемость клеточных мембран в листьях березы повислой, клена остролистного и пузыреплодника калинолистного (около 23 мкСм/г-1).

Результаты проведенных исследований позволили построить ряд по уменьшению интенсивности выхода электролитов из тканей деревьев и кустарников: карагана древовидная > рябина обыкновенная > липа мелколистная > сирень обыкновенная > шиповник морщинистый = береза повислая > клен остролистный = пузыреплодник калинолистный.

Рис. 2. Выход электролитов из листьев растений, произрастающих в селитебной зоне г. Йошкар-Олы

Примечание: деревья: 1 – клен остролистный, 2 – береза повислая, 3 – липа мелколистная, 4 – рябина обыкновенная; кустарники: 5 – пузыреплодник калинолистный, 6 – шиповник морщинистый, 7 – карагана древовидная, 8 – сирень обыкновенная

Статистический анализ результатов исследования с помощью t-критерия Стьюдента показал, что у таких видов, как рябина обыкновенная и карагана древовидная, значения интенсивности выхода электролитов по сравнению с растениями других видов имели статистически значимые различия. Статистически значимых отличий между остальными исследуемыми видами деревьев и кустарников не обнаружено.

Проницаемость клеточных мембран для электролитов – это интегральный показатель функционального состояния растительных тканей, свидетельствующий об их выносливости и стабильности в неблагоприятных условиях произрастания. Ряд исследователей указывают на то, что мембраны устойчивых растений отличаются от неустойчивых видов тем, что имеют повышенную стойкость и лучше сохраняют целостность в условиях стресса [4; 6].

Как показали результаты наших исследований (рис. 3), в промышленной зоне г. Йошкар-Олы наибольший выход электролитов из тканей наблюдался у особей караганы древовидной и составил 77,6 мкСм/г-1, что практически на 40% выше, чем в селитебной зоне. У липы мелколистной данный показатель возрос на 27%. У других изученных видов древесно-кустарниковой растительности выход электролитов из тканей был незначительно выше по сравнению с селитебной зоной, однако между ними не установлено статистически значимых различий.

Рис. 3. Выход электролитов из листьев растений, произрастающих в промышленной зоне г. Йошкар-Олы

Примечание: деревья: 1 – клен остролистный, 2 – береза повислая, 3 – липа мелколистная, 4 – рябина обыкновенная; кустарники: 5 – пузыреплодник калинолистный, 6 – шиповник морщинистый, 7 – карагана древовидная, 8 – сирень обыкновенная

В промышленном районе г. Йошкар-Олы по сравнению с селитебной зоной не произошло изменение проницаемости клеточных мембран среди деревьев – у березы повислой, а среди кустарников – у сирени обыкновенной и шиповника морщинистого, что позволяет предполагать, что данные виды отличаются большей устойчивостью к условиям антропогенного загрязнения.

Таким образом, наибольшим выходом электролитов из тканей растений среди кустарников характеризовалась карагана древовидная, а среди деревьев – липа мелколистная, произрастающие как в селитебной, так и в промышленной зонах г. Йошкар-Олы. Возможно, это является специфической особенностью данных видов, или мембраны клеток листьев караганы древовидной и липы мелколистной в условиях городской среды повреждаются больше. По-видимому, данные виды обладают меньшей устойчивостью по отношению к загрязнению атмосферного воздуха.

Растения, произрастающие вблизи автотранспортной магистрали в промышленной зоне города, оказались в значительной мере подвержены негативным воздействиям в связи с тем, что на них оказали влияние загрязняющие вещества автотранспорта (вклад которого в загрязнение воздуха максимален) и промышленных предприятий. Многие поллютанты обладают свойствами сильных окислителей, поэтому они адсорбируются на поверхности мембраны и, проникая через нее, могут вызвать окислительное разрушение. Возможно, это и привело к возрастанию проницаемости клеточных мембран исследуемых видов (карагана древовидная и липа мелколистная) в промышленной зоне г. Йошкар-Олы.

У таких видов, как береза повислая, сирень обыкновенная, шиповник морщинистый, пузыреплодник калинолистный, низкая проницаемость мембран клеток наблюдалась в обоих местообитаниях г. Йошкар-Олы, что позволило предположить бо́льшую их устойчивость к атмосферным загрязнениям, так как системы регуляции и поддержания гомеостаза у этих видов оказались в условиях урбанизации более эффективными. Возможно, это связано с изменениями в функциональной активности клеточных мембран, сопровождающихся перестройками структуры, приводящими к повышению их устойчивости к основным загрязнителям атмосферы. Большую устойчивость мембран приспособленных растений связывают с качественными и количественными изменениями в составе их липидов, прежде всего фосфолипидов и жирных кислот [2; 7].

Работа выполнена при поддержке НИР № 5.8479.2013 «Экологический мониторинг и прогнозирование состояния урбанизированных и природных популяций растений» в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ на 2013-2015 гг. Работа поддержана федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-20013 годы. Номер соглашения14.В37.21.1111 по теме «Экологические аспекты функционального состояния растений в условиях городской среды».

Рецензенты:

Глотов Н.В., доктор биологических наук, профессор кафедры ботаники и микологии ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет», г. Йошкар-Ола.

Новоселов С.И., доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры общего земледелия, растениеводства, агрохимии и защиты растений ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет», г. Йошкар-Ола.

Источник

З агрязнение окружающей среды оказывает губительное влияние на растительные организмы. Однако многие представители флоры сумели приспособиться к новым условиям обитания. Более того, они научились очищать воздух, почву и воду от вредных химических элементов.

Вредные вещества, поллютанты – пестициды, гербициды, органические растворители, тяжелые металлы, радионуклиды – чаще всего попадают в растительные организмы через корневую систему или листья (через устьица или кутикулу эпидермиса). Соединения, поглощенные корнями, переносятся в надземные части растений или откладываются в запасающих органах.

Разрушающее воздействие

Все загрязняющие вещества могут необратимо влиять на растительные организмы, вызывая как морфологические, так и физиолого-биохимические изменения. Эти воздействия, как правило, носят неспецифичный характер. К примеру, тяжелые металлы и радионуклиды, попадая в растительные клетки, могут взаимодействовать с различными белками, что приводит к изменениям клеточного метаболизма – нарушаются процессы фотосинтеза, дыхания, меняются функции клеточных мембран и т. д.

На морфологическом уровне могут происходить изменения размеров, формы, окраски листьев и цветков, их увядания или опадения. Нередко усыхает крона деревьев, нарушается целостность коры, деформируется корневая система, срастаются некоторые органы. У хвойных деревьев отмечают изменения в размерах хвоинок. При сильных атмосферных загрязнениях у различных древесных и кустарниковых наблюдают нарушение интенсивности ветвления.

Атмосферные поллютанты также могут воздействовать на пыльцу растений, изменяя поверхность и форму пыльцевых зерен, нарушая целостность оболочек и вызывая их слипание.

В целом характер воздействия загрязняющих веществ зависит от их количества в окружающей среде, от их химического строения, а также от генетических и видовых особенностей самих растений, которые различаются по устойчивости к токсическому воздействию повышенных концентраций загрязняющих веществ.

Адаптация и фиторемедиация

Благодаря механизмам адаптации, действующим на разных организменных уровнях, в фитоценозах постепенно отбираются популяции, способные развиваться и расти без серьезных нарушений физиологических процессов при довольно высоких концентрациях загрязняющих веществ в среде.

Так, к примеру, постоянное накопление тяжелых металлов у одних видов сначала вызывает стимуляцию роста, а затем угнетение и гибель. У других же по мере увеличения содержания вредных веществ включается механизм, препятствующий их поглощению. Такое ограниченное поглощение наиболее характерно для опадающих частей (например, листьев) и репродуктивных органов (цветков) растений, неограниченное – для корней, древесины, стеблей.

Способность растительных организмов поглощать, аккумулировать и трансформировать поллютанты используют для фиторемедиации (от греческого phyton – «растение» и латинского remedium – «восстанавливать») – очистки окружающей среды (воды, почвы, атмосферы) при помощи растений.

Растения-фильтры

Травянистые растения применяют для фитостабилизации загрязнений – уменьшения их мобильности в почве за счет адсорбции или осаждения на корнях в виде нерастворимых соединений (фосфатов, карбонатов, гидроксидов и т. д.). При этом обычно выбирают виды, устойчивые к загрязнениям, способные образовывать плотный травянистый покров, связывать поллютанты в процессе интенсивного корневого обмена.

Бобовые растения совместно с микроорганизмами-симбионтами из прикорневой зоны также могут участвовать в биодеградации – разложении различных органических поллютантов.

Улучшить почвы с повышенным содержанием свинца помогают бобовые

Некоторые растения – осоковые, различные виды фасоли, пшеницы, риса – способны к фитотрансформации пестицидов, растворителей, топливных остатков, преобразуя (метаболизируя) их при помощи собственных внутриклеточных ферментных систем.

Крестоцветные используют для фитоэкстракции – извлечения загрязнений из почвы. Они являются аккумуляторами тяжелых металлов и радионуклидов, которые поступают в растения через корневую систему и откладываются в надземных органах (стеблях и листьях). Растительную биомассу затем можно собрать и переработать. Наиболее широко фитоэкстракцию используют для удаления из почвы свинца, цинка, кадмия, никеля.

Достаточно активно способны аккумулировать тяжелые металлы также и некоторые виды папоротников, которые являются типичными представителями лесных экосистем.

Страусник обыкновенный способен поглощать из почвы ионы кадмия

Древесные биофильтры

Деревья и кустарники часто используют как эффективные и естественные биофильтры в городах и сельской местности:

Так, к примеру, для создания фитозаградительных барьеров вдоль автомагистралей, улиц с активным движением транспорта для защиты воздушной и водной сред часто высаживают различные виды тополя, клена, каштана, липы. Осину, различные виды берез, сосну используют при проведении комплексных работ по фитомелиорации – очистке почвы от нефти и нефтепродуктов.

Береза способствует очистке почв от нефти и нефтепродуктов

При проведении мероприятий по очистке территорий, загрязненных радионуклидами, высаживают манчьжурский орех и амурский бархат, которые считаются гораздо более устойчивыми к радиационному воздействию, чем хвойные деревья и многие лиственные породы. Эти виды отличаются способностью к быстрому вегетативному восстановлению (корневой и пневой порослью) после облучения, а также обладают сильно развитой листовой и корневой поверхностью, что позволяет им удерживать пылевые частицы и капли воды с радионуклидами и локализовать их в ветках, коре, древесине, плодах.

Клен очищает воду и воздух возле автомагистралей

Большинство деревьев могут вступать в симбиотические взаимоотношения с грибами с формированием микоризы. Микориза улучшает почвенную структуру, связывает ионы тяжелых металлов, защищает растения от токсичных органических соединений, помогая им лучше адаптироваться и выживать в условиях повышенного загрязнения окружающей среды. Благоприятный эффект от такого «сотрудничества» наблюдали, к примеру, для ели обыкновенной, различных видов клена, растущих на урбанизированных территориях в «сожительстве» с грибным мицелием.

Селекция и инженерия

Для получения растений, устойчивых к неблагоприятным антропогенным воздействиям, активно применяют методы современной клеточной селекции, а также генетической клеточной инженерии.

Особое внимание также уделяют получению растений-гипераккумуляторов тяжелых металлов. За основу берут виды с высокой продуктивностью и вводят бактериальный геном, который отвечает за формирование у растений способности адсорбировать или трансформировать поллютанты в значительных количествах. Особо эффективно этот метод применяют для выведения устойчивых газонных трав.

Грибы-аккумуляторы

Шампиньоны активно аккумулируют ртуть

Наиболее активно из субстрата грибами поглощаются легкорастворимые соединения тяжелых металлов и радиоизотопов. В молодых плодовых телах отмечают более высокие их концентрации, чем в старых. Наибольшие количества, как правило, аккумулируются в шляпках грибов, особенно в гименофорах. Со временем в условиях постоянного загрязнения эти элементы могут накапливаться в мицелии.

При употреблении в пищу съедобных грибов, собранных в лесах с высокой степенью техногенного загрязнения, высока вероятность тяжелых отравлений и внутреннего облучения. Даже кулинарная обработка (например, последовательная варка с неоднократной сменой воды) не всегда приводит к снижению концентрации вредных веществ до допустимых величин.

Для справки:

Фиторемедиация – очистка окружающей среды при помощи растений.

Фитостабилизация – уменьшение мобильности поллютантов в почве за счет адсорбции или осаждения на корнях в виде нерастворимых соединений.

Биодеградация – разложение различных органических поллютантов.

Фитоэкстракция – извлечение загрязнений из почвы.

Фитомелиорация – очистка почвы от нефти и нефтепродуктов.

Рекомендуем прочитать:

Строение дерева. От клеток до корней

Строение растений мы изучали еще в школе. В этой статьей мы решили напомнить, что из себя представляет дерево, и рассказать о каждой из его частей: клетках и тканях, древесине и коре, ветвях и ветках, листьях и корнях.

Свойства древесины разных пород

Еще пару веков назад ни сельское хозяйство, ни строительство, ни промышленность не обходились без древесины. Не потеряла она своего важного значения и сегодня

Источник

Зеленые фильтры (растения, защищающие от пыли и газов)

Значительно снизить вред от загрязненной атмосферы способны наши «зеленые друзья» – растения. Зеленые насаждения формируют санитарную зону вокруг промышленных предприятий, защищая жилые районы от шума, пыли, вредных выбросов. Даже при прекрасно работающих воздухоочистных сооружениях озеленение необходимо, так как растения «дочищают» окружающую среду благодаря большой поглотительной способности листьев. Зелень задерживает до 86% пыли. Некоторые породы (тополь черный, ива козья, лох узколистный, карагана, шиповник) в состоянии поглощать очень токсичные вещества.
Зеленые насаждения снижают уровень загрязнения воздуха и регулируют температурный режим. Даже малые площади зеленых насаждений, расположенные между зданиями, улучшают микроклимат, особенно в дневные часы. Одно крупное дерево выделяет за сутки столько кислорода, сколько необходимо одному человеку. В условиях города под влиянием загазованности фотосинтез снижается в 10 раз, поэтому на каждого человека должно приходиться не одно, а десять деревьев. Растения также выделяют в атмосферу биологически активные летучие вещества – фитонциды. В воздухе садов и парков в 20 раз меньше бактерий, чем в воздухе улиц. Лучшие «производители» фитонцидов – хвойные, особенно туи и можжевельники, из лиственных – черемуха, береза, ива, робиния, дубы красный и черешчатый, тополь бальзамический, маньчжурский орех.
Однако зеленые насаждения в городе находятся в условиях, значительно отличающихся от природных: здесь иной световой и тепловой режим, нарушен водный баланс, во многих случаях естественные почвы заменены малоплодородными насыпными. Пыль и зола городов поглощают значительную часть солнечной радиации, ухудшая освещенность растений; дым и пыль увеличивают облачность над городом, уменьшают количество водяного пара в воздухе, что является причиной сухости воздуха в городе. Сажа прочно оседает на листья и не смывается дождем. Плохие экологические условия отрицательно сказываются на росте и развитии растений, сокращают их срок жизни. По наблюдениям ученых, продолжительность жизни ясеня, вяза, тополя, липы мелколистной в условиях города не превышает 40-80 лет (в парках – до 150-200 лет, в подмосковных лесах – 300-400 лет). Еще меньше срок жизни у кустарников – 20-40 лет.
Имеет значение газоустойчивость и газопоглотительная способность растений, т.к. в условиях большого города они бесперебойно поглощают атмосферные загрязнения. Это необходимо учитывать при разработке ассортимента растений для городов.
Известно, что автомобильные выхлопы губительны для хвойных деревьев. Хвоя практически не выделяет влаги и мало кислорода, не дает тени. С помощью хвойных пород можно добиться высокого пылезащитного эффекта круглой год, но обязательно необходимо смывать скопившуюся пыль несколько раз за сезон. Более устойчивыми к городским условиям являются лиственницы благодаря их уникальной для хвойных растений способности сбрасывать ежегодно хвою.
Лиственные породы по газоустойчивости можно разделить на группы: 1) слабоповреждаемые (ивовые, жимолостные); 2) среднеповреждаемые (кленовые, маслинные, камнеломковые); 3) сильноповреждаемые (розоцветные, бобовые, сосновые).
Дымоустойчивые с хорошей восстановительной способностью: бузина красная, жимолость каприфоль, клен ясенелистный, магония, тополь канадский, диервилла, снежноягодник, можжевельники виргинский и казацкий.
Растения, устойчивые к атмосферным загрязнителям: боярышник Максимовича, виноград амурский, дерен кроваво-красный, ива козья, вяз мелколистный, клен ясенелистных, белая акация (робиния), тополь Максимовича, ясень американский, яблоня маньчжурская.
Наиболее стойки к комплексу кислых газов и осадков: яблоня маньчжурская, бересклет, боярышник Максимовича, виноград амурский, ива козья, тополь душистый, аралия маньчжурская, тополь корейский, клен зеленокорый, дуб моногольский, маакия амурская, ива козья.
Следует учитывать, что дальневосточные виды тополей устойчивы к действию двуокиси серы и кислых осадков, но сильно повреждаются пылью; виноград амурский проявляет высокую газоустойчивость лишь на нейтральных и слабощелочных почвах, а на кислых она резко снижается. Постепенное закисление почв снижает устойчивость растений, а нейтрализация, известкование почв – повышает. Часто даже при однократном внесении комплекса удобрений эффект прослеживается в течение 17-20 лет. Кроме того, снижение устойчивости возникает лишь в приземном слое, на уровне крон взрослых деревьев содержание вредных веществ резко падает.
Пыль хорошо задерживают лиственные деревья и кустарники с шершавыми, опушенными, морщинистыми и клейкими листьями (вяз шершавый, калина городовина, лещина обыкновенная, сирень венгерская). Морщинистая поверхность очищается дождевой водой быстрее и лучше опушенной. А вот клейкие листья только в начале вегетации обладают полезными пылезащитными свойствами.
Моя мама очень не любит «милые безделушечки» на полочках или хрусталь в серванте, называя их «пылесборниками». В нашем случае, наоборот, необходимо наличие барьеров, на которые оседает пыль. Далее, согласно правилам гигиены, скопившуюся пыль надо удалять: в засушливый период придется промыть зеленую изгородь из шланга. Декоративные свойства растений имеют не только эстетическое, но и психогигиеническое значение. Богатство красок, запах цветов, шелест листвы в сочетании с положительным влиянием насаждений на микроклимат весьма благоприятно действуют на эмоциональное состояние человека. Парки и сады, скверы и бульвары придают живописность облику города, вносят необходимое разнообразие, чего нельзя добиться только архитектурными решениями.

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Спасибо, и это полезная статья, про растения защищающие от пыли и газов.

Источник