Оценка загрязнения атмосферы с помощью низших растений

ВВЕДЕНИЕ

Атмосферный воздух – основной компонент  биосферы. Первый научный труд, в  котором обобщаются представления  об атмосфере, принадлежит Аристотелю, высказавшему предположение, что Земля  имеет форму шара и поэтому  воздушная оболочка, ее окружающая, должна быть сферической. Это и выражается словом «атмосфера» (по-гречески «атмос» - пар, дыхание, а «сфера» - шар).

Известно, что человек без пищи может жить несколько десятков суток, без воды – несколько суток, а  без воздуха – не более нескольких минут. Общее количество воздуха  в атмосфере составляет 5,15х10 т., а  содержание в нем кислорода –  в пять раз меньше. Это очень  много. И опасаться, что в перспективе  его не хватит, очевидно, не следует, даже при возрастании потребления  всеми живыми организмами и расходования на производственные нужды.

Серьезную опасность для человека представляет не нехватка воздуха как  такового, а его прогрессирующее  загрязнение. Под загрязнением атмосферы  понимают присутствие в ней одного или более ингредиентов или их комбинаций в таких количествах  и в течение такого времени, что  они могут принести вред здоровью или благосостоянию человека, или  чрезмерно повлиять на сложившийся  уклад жизни. Особенностью загрязнителей  атмосферы является их преимущественная локализация в сравнительно небольших  географических районах – городах, промышленных центрах, микрорайонах. Поэтому  мониторинг за состоянием атмосферного воздуха и определение степени  его загрязнения, представляется особо  актуальным.

Для определения степени загрязнения  атмосферного воздуха наиболее точными  и простыми  представляются лихеноиндикационные методы. Для их использования не требуются большие материальные затраты и сложное оборудование, при этом они позволяют дать точную оценку степени загрязнения атмосферного воздуха (Бязров,2002).

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗШИХ РАСТЕНИЙ В  КАЧЕСТВЕ БИОИНДИКАТОРОВ ВОЗДУХА

С помощью низших растений можно проводить биоиндикацию атмосферы. Индикаторные растения используются при оценке степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также тяжелыми металлами.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего  вещества в воздухе ранними морфологическими реакциями, а так же индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида.

Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определенного вида и  состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую  индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или фитоценоза — общего состояния среды (Мелехова, 2008).

1.  Общая характеристика мхов, лишайников

Лишайники (Lichenes) — это  очень своеобразные в биологическом  отношении низшие растения. Лишайник является сложным организмом, образующимся в результате симбиоза двух растений: гриба и водоросли. Основную массу  у слоевища лишайника составляет гриб, который своими гифами плотно переплетает клетки водоросли. Составные  компоненты лишайника — гриб и  водоросль — дополняют друг друга. Водоросли — автотрофные растения, содержащие хлорофилл и, следовательно, способные создавать органические вещества и снабжать ими гриб. Гриб же неспособен фотосинтезировать, но обладает способностью добывать воду и минеральные  вещества и снабжать ими водоросль. Кроме того, гриб защищает водоросль  от яркого освещения, сильного нагревания лучами солнца и высыхания.

 Лишайник нельзя рассматривать  как простое сочетание свойств  двух его компонентов, это живой  организм, он обладает новыми  качествами, поэтому и занимает  определенное место в растительном  мире.

Можно искусственно разделить  лишайник на компоненты — гриб и  водоросль — и выращивать каждый компонент отдельно. При этом водоросль  обычно способна продолжать самостоятельное  существование, а гриб, приспособившийся к выгодному для него сожительству, без водоросли развиваться самостоятельно не может и быстро погибает.

По внешнему строению лишайники  могут быть разделены на 3 группы: корковые (или накипные), листоватые и кустистые. Корковые (или накипные) лишайники представлены наибольшим разнообразием, к ним относится  большинство видов лишайников. Они  характеризуются простым строением. Представители этой группы лишайников имеют вид корочек или налетов, плотно срастающихся с субстратам, на котором они живут и от которого отделяются с большим трудом. Субстратом для накипных лишайников служат кора деревьев, поверхность камней и скал. Эти лишайники считаются наиболее примитивными, они, по-видимому, дали начало другим лишайникам. Эти лишайники часто встречаются в виде желто-оранжевых пленок, пятен, штрихов на коре деревьев. Из этой группы лишайников часто встречается графис (Graphis sp.).

Листоватые лишайники  имеют вид рассеченных пластинок, срастающихся с субстратом не очень  плотно при помощи пучков гиф (ризин). К ним относится пармелия (Раrmelia sp.) растущая на коре деревьев.

Кустистые лишайники имеют  слоевища в виде ветвящихся кустиков; такие лишайники срастаются с  субстратом только своим основанием. Представителем кустистых лишайников может служить вислянка, или бородатый  лишайник (Usnea sp.), который растет во влажных лесах на ветвях деревьев в виде длинных свисающих кустиков.

Лишайники насчитывают около 25 тысяч видов и широко распространены по земному шару. Они обладают способностью заселять самые суровые местообитания  и часто играют роль первопоселенцев, представляя собой начальную  стадию сукцессии (смены растительных сообществ). По приуроченности к субстрату  лишайники подразделяют на несколько  экологических групп: эпилитные, напочвенные, эпифитные (Пчелкин, 1997).

Виды группы напочвенных, или эпигейных, лишайники должны выдерживать сильную конкуренцию  со стороны быстрорастущих высших растений, особенно травянистых. Поэтому они  редко встречаются на плодородных  почвах и достигают большего развития в местах, мало пригодных для высших растений из-за незначительной питательности  субстрата или неблагоприятных  климатических условий, например на песчаных почвах, в тундрах, полупустынях, на торфяниках и т.д. Напочвенные  лишайники открытых пространств  встречаются также в сухих  степях и полупустынях, на скалах и  каменных россыпях в высокогорных районах.

Эпифитные лишайники поселяются на деревьях и кустарниках. Среди  них можно выделить несколько  подгрупп: эпифилльные лишайники, растущие на листьях деревьев и кустарников; настоящие эпифитные лишайники, растущие на коре; эпиксильные лишайники, растущие на обнаженной и обработанной древесине. Эпифитные лишайники  на коре деревьев очень многочисленны. Здесь обитают и накипные, и  листоватые, и кустистые формы. Нередко  они сплошь покрывают ствол дерева на большом протяжении. На участке  коры величиной не более ладони иногда насчитывали до 38 видов лишайников, которые росли вплотную друг около  друга и даже один на другом.  Наблюдения показывают, что на отдельных породах деревьев часто наблюдаются определенные группировки лишайников.

Эпилитные лишайники поселяются на камнях и скалах и представлены в основном накипными видами. Расселение их по субстрату различно. Один вид  может сплошь покрывать скалу  или крупный камень на большой  площади, придавая им заметную издали, характерную для определенного  вида лишайника желтую, оранжевую, зеленоватую, коричневатую, черную или другую окраску. В другом случае на небольшом участке  могут произрастать несколько видов  лишайников, образуя на субстрате  благодаря своей разнообразной  окраске пестрый узорчатый рисунок.

Объектом глобального  мониторинга лишайники избраны  потому, что они распространены по всему Земному шару и поскольку  их реакция на внешнее воздействие  очень сильна, а собственная изменчивость незначительна и чрезвычайно  замедленна по сравнению с другими  организмами. Из всех экологических  групп лишайников наибольшей чувствительностью  обладают эпифитные лишайники (Гарибова, 19).

Моховидные (Bryophyta) имеют  некоторые приспособления к наземному  образу жизни и в то же время  у них сохранились черты водных растений. В большинстве случаев  моховидные слабо приспособлены  к обитанию на сухих местах, они  растут в среде с повышенной влажностью — на болотах, в лесах, на сырых  лугах. Существуют виду, которые растут только в воде. Моховидные являются автотрофными растениями.

Среди высших растений моховидные отличаются наиболее простым строением. Тело большинства представителей расчленено только на, стебли и листья, а корней у них нет. Отсутствуют у них  сосудисто-проводящие пучки. Всасывание воды и прикрепление к субстрату  осуществляется ризоидами — выростами  эпидермиса. По своему строению и образу жизни моховидные являются как бы связывающим звеном между низшими  и высшими растениями. Моховидные не достигают больших размеров, максимальная высота их 20-40 см.

Моховидные объединяют свыше 22 тыс. видов и подразделяются на 3 класса. Рассмотрим из них 2 класса —  печеночные мхи, или печеночники, и  листостебельные мхи. Класс печеночник и, или печеночные мхи (Маrсhапtiорsidа, или Нерatic орsida). Для представителей этого класса характерно дорсовентральное строение гаметофита (вегетативного тела), у которого верхняя сторона всегда отличается от нижней. Слоевище чаще имеет форму пластинки, вильчато разветвленной, но не расчлененной на стебель и листья.

Класс листостебельные мхи, или собственно мхи, или бриопсиды (Bryopsida, или Musci). Растения этого класса имеют хорошо выраженное расчленение тела на стебель и листья. Яркими представителями данного класса являются: кукушкин лен и торфяной мох (сфагнум) (Пчелкин, 1997).

2. Влияние загрязнения воздуха на состояние лишайников

Лишайники – широко распространенные организмы с достаточно высокой  выносливостью к климатическим  факторам и чувствительностью к  загрязнителям окружающей среды.

Лишайники способны долгое время пребывать в сухом, почти  обезвоженном состоянии, когда их влажность  составляет от 2 до 10% сухой массы. При  этом они не погибают, а лишь приостанавливают все жизненные процессы до первого  увлажнения. Погрузившись в такой  «анабиоз», лишайники могут выдерживать  сильное солнечное облучение, сильное  нагревание и охлаждение.

В связи с тем, что лишайники  поглощают воду всей поверхностью тела в основном из атмосферных осадков  и отчасти из водяных паров, влажность  слоевищ непостоянна и зависит  от влажности окружающей среды. Таким  образом, поступление воды в лишайники  происходит, в отличие от высших растений, по физическим, а не по физиологическим  законам. Недаром слоевище лишайников часто сравнивают с фильтровальной бумагой (Чеснокова,1999).

Минеральные вещества в виде водных растворов поступают в  слоевище лишайника из почвы, горных пород, коры деревьев. Однако гораздо  большее количество химических элементов  лишайники получают из атмосферы  с осадками и пылью. Поглощение элементов  из дождевой воды идет очень быстро и сопровождается их концентрированием. При повышении концентрации соединений металлов в воздухе резко возрастает их содержание в слоевищах лишайников, причем в накоплении металлов они  далеко опережают сосудистые растения. В лесу, где осадки проходят сквозь кроны деревьев и стекают со стволов, лишайники гораздо богаче минеральными и органическими веществами, чем  на открытых местах. Особенно много  минеральных и органических веществ  попадает в тело эпифитных лишайников, растущих на стволах деревьев.

Эти растения используются для наблюдения за распространением в атмосфере более 30 элементов: лития, натрия, калия, магния, кальция, стронция, алюминия, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, никеля, меди, цинка, кадмия, свинца, ртути, урана, фтора, иода, серы, мышьяка, селена и др.

Многочисленные исследования в районах промышленных объектов, на заводских и прилегающих к  ним территориям показывают прямую зависимость между загрязнением атмосферы и сокращением численности  определенных видов лишайников. Особая чувствительность лишайников объясняется  тем, что они не могут выделять в среду поглощенные токсические  вещества, которые вызывают физиологические  нарушения и морфологические  изменения.

По мере приближения к  источнику загрязнения слоевища лишайников становятся толстыми, компактными  и почти совсем утрачивают плодовые тела, обильно покрываются соредиями. Дальнейшее загрязнение атмосферы  приводит к тому, что лопасти лишайников окрашиваются в беловатый, коричневый или фиолетовый цвет, их талломы сморщиваются и растения погибают. Изучение лишайниковой флоры в населенных пунктах и вблизи крупных промышленных объектов показывает, что состояние окружающей среды оказывает существенное влияние на развитие лишайников. По их видовому составу и встречаемости можно судить о степени загрязнения воздуха.

Наиболее резко лишайники  реагируют на диоксид серы. Концентрация диоксида серы 0,5 мг/м³ губительна для всех видов лишайников. На территориях, где средняя концентрация диоксида серы превышает 0,3 мг/м³, лишайники практически отсутствуют. В районах со средними концентрациями диоксида серы от 0,3 до 0,05 мг/м³ по мере удаления от источника загрязнения сначала появляются накипные лишайники, затем листоватые. При концентрации 0,05 мг/м³ появляются кустистые лишайники и некоторые листоватые (Трешоу, 1998).