9.9. Стійкість рослин до забруднення навколишнього середовища

Інтенсивний розвиток промисловості, сільськогосподарського виробництва, активна діяльність людей супроводжуються значними змінами навколишнього середовища. Щорічно зростає газоподібне забруднення атмосфери, у ґрунті й воді накопичуються різні хімічні сполуки. Все це гальмує нормальний розвиток, викликає захворювання і навіть зникнення багатьох рідкісних видів рослин і тварин, призводить до порушення екологічної рівноваги, зменшення врожаю сільськогосподарських культур, погіршення його якості.

При спалюванні нафти, кам’яного вугілля і різних органічних відходів в атмосферу виділяється велика кількість різних вуглеводнів, оксидів азоту і сірки, вуглекислого газу та інших речовин, а також тверді компоненти – пил, сажа. Дим і гази не тільки отруюють навколишнє середовище, але впливають і на клімат. Як правило, на територіях, що прилягають до великих промислових підприємств, вологість повітря і освітленість нижчі за норми, а температура вища, ніж у не задимлених місцях.

Промислове забруднення середовища токсичними сполуками завдає великих збитків сільському господарству й екологічній системі в цілому.

Для розробки профілактичних заходів з охорони рослин на основі контролю забруднення повітря, ґрунту і води необхідно чітко уявляти токсичну дію токсикантів на рослинний світ, які функціональні зміни вони можуть викликати, шляхи їх надходження до рослинного організму.

9.9.1. Газостійкість

Двоокис сірки, окисли азоту, галогеноводневі та інші шкідливі газоподібні сполуки проникають у рослину з повітря внаслідок газообміну, а також з дощем і при осіданні туману або пилу на поверхню пагонів. Основна ж маса токсичних газів надходить до листка через продихи. Потрапляючи до міжклітинників, вони контактують із губчастою паренхімою мезофілу, потім дифундують через плазмалему до протопласта клітини і там викликають різні хімічні, біохімічні, структурні і функціональні зміни. Швидкість надходження газу зумовлена стійкістю до нього рослинного організму, а ступінь впливу залежить від властивостей і хімічних форм забруднюючої речовини.

У клітинах ушкоджених рослин спостерігається зниження рН клітинного соку, помітно активуються такі ферменти, як пероксидаза, порушується вуглеводно-азотний обмін, пригнічується рух цитоплазми і розтягування клітин, відбувається розпад хлорофілу і руйнування структури хлоропластів, спостерігається депресія фотосинтезу; порушується проникність і регуляторна діяльність замикаючих клітин продихів. Усі ці зміни у подальшому призводять до порушення росту і розвитку рослин, зменшують у 1,5–2,0 рази інтенсивність транспірації. Внаслідок цього значно зменшується урожай і погіршується його якість. У озимих культурах різко зменшується морозостійкість.

Токсичні гази несприятливо впливають і на розвиток кореневої системи, оскільки при цьому значно зменшується загальна маса коренів та їх фізіологічна активність.

Загальними фенотипічними ознаками ушкодження рослин є некрози і хлороз листків, подальше їх відмирання і передчасне обпадання. Але за цими зовнішніми ознаками важко визначити, яким саме токсикантом ушкоджена рослина, тому що в цілому картина змін є досить неспецифічною для тієї чи іншої отруйної речовини. Дія токсиканту залежить від його дози, яка дорівнює добутку концентрації токсиканта на тривалість дії.

Для SО₂ припустима концентрація в повітрі може становити не більше 80 мкг/м³ при тривалій дії і 240 мкг/м^{3 -} при короткочасному впливі; для фтористого водню – відповідно 0,50 мкг/м³ і 1,0 мкг/м³; для НСl – 100 мкг/м³ і 200 мкг/м³. Але НСl не становить великої небезпеки, тому що лише в окремих місцях цей забруднювач зустрічається в концентраціях, що викликають ушкодження рослин. Токсичність газів залежить від факторів навколишнього середовища, особливо від вологості повітря. Наприклад, при високих концентраціях SО₂ в повітрі збільшення вологості призводить до утворення сірчистої, а потім сірчаної кислоти, внаслідок чого токсичність SО₂ різко посилюється. Газоподібна сірка (SО₂), що проникла через продихи, контактує з вологою поверхнею клітин листка і переходить у водний розчин. Залежно від рН оточуючого клітинного розчину утворюються сульфіти, гідросульфіти та інші сполуки. SО₃¯і НSО₃¯ токсичні для багатьох біохімічних і фізіологічних процесів. Ступінь фітотоксичності зменшується при переході SО₃¯до SО₄¯. Це окиснення в рослинних клітинах може здійснюватися ферментативним і неферментативним шляхом. У більшості рослин метаболічно активні молоді листки акумулюють більше сірки, ніж старі. При освітленні акумуляція здійснюється швидше, ніж в темряві. Окиснення SО₃¯ може здійснюватися у хлоропластах при освітленні, у мітохондріях. Крім того, воно стимулюється і такими ферментами клітин, як пероксидаза, цитохромоксидаза, фередоксин-НАДР-оксидаза, металами й ультрафіолетовим світлом.

Адсорбований листками двоокис сірки не локалізується в місцях проникнення. Він має високий ступінь рухомості й може транспортуватися з листків до коренів, в навколишнє середовище. Адсорбований листками SО₂ може бути використаний у метаболічних процесах відновлення сірки.

Короткочасний вплив низьких концентрацій двоокису сірки у багатьох рослин призводить до посилення фотосинтетичних процесів. Навпаки, високі концентрації і тривала дія низьких концентрацій інгібують фотосинтез. Ця дія проявляється на реакціях карбоксилювання, транспорті електронів і реакціях фотосинтетичного фосфорилювання.

При ушкодженні дводольних трав’янистих рослин і листкових дерев типовою є поява некротичних ділянок між жилками листка; в однодольних рослин – слабкий жовтуватий колір або некроз кольору слонової кістки, який розпочинається на кінчиках листка і розповсюджується на всю листкову пластинку.

Некроз кінчиків і країв листків є типовим симптомом ураження широколисткових рослин фтористим воднем. Некротизована тканина може відокремлюватися від неушкодженої вузькою червоно-коричневою смугою, що утворилася внаслідок відкладання смоли і танінів.

Численними дослідженнями доведено, що забруднюючі атмосферу речовини призводять до певного пригнічення росту і розвитку рослин без ознак видимих симптомів ураження. Їх дія проявляється в першу чергу на біохімічному рівні, потім розповсюджується на ультраструктурний і клітинний рівні, і вже після цього розвиваються видимі симптоми ушкодження.

Чутливість рослин до окремих шкідливих газів залежить не тільки від зовнішніх, але і від внутрішніх факторів. Наприклад, хлібні злаки мають підвищену стійкість до SО₂ на окремих критичних стадіях розвитку – стадії трьох листків і перед цвітінням. Для дводольних критичним є період між цвітінням і початком дозрівання.

Значний вплив на фізіологічні процеси в рослинах мають такі речовини і сполуки як озон, окисли азоту, фториди.

Під впливом озону змінюється проникність рослинних тканин для води, глюкози, окремих іонів, а також проникність мембран мітохондрій і хлоропластів; інгібується фотосинтез – знижується не тільки активність електронно-транспортної системи, але і вміст хлорофілу.

Дія газоподібних сполук NО і NО₂ в концентраціях, що не призводять до появи видимих ушкоджень, викликає зниження інтенсивності фотосинтезу. Інгібування фотосинтезу окислами азоту може бути наслідком конкуренції процесів асиміляції СО₂ і відновлення нітратів, що відбуваються у хлоропластах за участю універсального відновлювача НАДР^.Н₂. Під впливом NО₂ відбувається набрякання мембран хлоропластів, а будь-яке порушення у структурі мембрани впливає на інтенсивність фотосинтезу.

Газоподібні фториди (НF) надходять до рослини через продихи листків і можуть впливати на їх функціонування. Фториди можуть впливати на фіксацію СО₂, послаблювати синтез хлорофілу, інгібувати активність реакції Хілла, стимулювати або пригнічувати дихання, залежно від тривалості дії. Зміни в диханні під впливом фторидів відбуваються внаслідок розбухання мембран мітохондрій і виходу з них білків, змін активності окиснювальних ферментів. NaF порушує рибосомальні системи.

Речовини, які забруднюють атмосферу, знижують стійкість рослин до низьких температур і посухи.