Индикаторы присутствия сернистого газа

Лишайники нетребовательны к факторам внешней среды, они являются пионерами, поселяющимися на голых скалах. Однако для своего существования эти растения нуждаются в очень чистом воздухе. Малейшее загрязнение атмосферы, не влияющее на большинство высших растений, вызывает массовую гибель лишайников.

Еще в 1866 г. финский лихенолог В. Нюландер, описавший лишайники Парижа, отметил видовую бедность лихенофлоры большого города по сравнению с флорой его окрестностей. При повышении степени загрязненности воздуха первыми исчезают из городов кустистые лишайники, затем листоватые и, наконец, накипные (корковые) лишайники. Во многих промышленно развитых городах, особенно вокруг заводов, возникают зоны, в которых лишайники вообще отсутствуют. Это так называемая «лишайниковая пустыня». Для того чтобы читатели имели представление о размерах «лишайниковой пустыни», приведем следующие цифры: в 1957 г. ее площадь в Мюнхене составила 58 км², а в Таллине в 1954 г. – около 12 км².

Почему именно лишайники так чувствительны к загрязнению природной среды? Исследователи объясняют это рядом причин. Во‑первых, у лишайников отсутствует непроницаемая кутикула, благодаря чему обмен газов происходит свободно через всю поверхность. Во‑вторых, большинство токсичных газов концентрируется в дождевой воде, а лишайники впитывают дождевую воду всей поверхностью в отличие от цветковых растений, которые поглощают воду в основном из почвы. В‑третьих, большинство цветковых растений в наших широтах активно только летом, когда уровень загрязненности обычно ниже; в то же время некоторые лишайники обладают способностью к росту при температурах ниже 0°. В‑четвертых, в отличие от цветковых растений лишайники не способны избавляться от пораженных ядовитыми веществами частей своего тела каждый год.

Перечисленные выше причины высокой чувствительности лишайников к загрязнителям природной среды позволяют понять, почему в городах редко можно видеть этих представителей растительного мира. Главный враг лишайников в городах – сернистый газ. Именно он определяет распространенность некоторых эпифитных лишайников. Ученые установили, что чем выше уровень загрязненности природной среды сернистым газом, тем больше содержание серы в слоевищах лишайников, причем живое слоевище аккумулирует серу из среды интенсивнее, чем мертвое.

Вот почему, если вы решили отдохнуть в данной местности и хотите установить, насколько чист в ней воздух, поищите вокруг лишайники. Чем чище воздух, тем разнообразнее видовой состав этих растений и интенсивнее их рост. Человек, знающий некоторые виды лишайников, может довольно точно установить концентрацию сернистого газа в воздухе. Прогуливаясь по городу, он может констатировать полное отсутствие лишайников («лишайниковая пустыня»). Это означает, что концентрация двуокиси серы в воздухе превышает 0,3 мг/м³. Присутствие в городе некоторых выносливых по отношению к загрязнителям лишайников, например ксантории, фисции, анаптихии, леканоры, свидетельствует о том, что количество сернистого газа колеблется от 0,05 до 0,2 мг/м³. Если же вы видите на стволах деревьев пармелии, алектории и другие виды, то воздух довольно чист, содержание двуокиси серы не превышает 0,05 мг/м³.

Экспериментально установлено, что сернистый газ в концентрации 0,08–0,1 мг/м³ вызывает нарушение процесса фотосинтеза, появление бурых пятен в хлоропластах лишайниковых водорослей, деградацию хлорофилла, угнетение роста слоевищ. При низких значениях pH 3,2–3,4 хлорофилл необратимо окисляется, а при pH 2–3 он превращается в феофитин или расщепляется еще дальше. Повышение влажности приводит к усилению растворения сернистого газа и подкислению среды. По этой причине лишайники очень неустойчивы к фитотоксиканту при высокой влажности, но могут успешно выжить при достаточно большой концентрации двуокиси серы, если слоевище сухое.

Особое внимание исследователей привлек лишайник гипогимния вздутая (Hypogymnia physodes), серые, узколопастные слоевища которой часто встречаются на стволах хвойных. Он широко распространен на территории Европы. При концентрации сернистого газа 0,23 мг/м³ воздуха этот лишайник полностью отмирает за 29 суток. При меньшей концентрации сернистого газа (0,08 мг/м³) после восьмисуточного воздействия некроз занимал 60 % площади слоевища (Гудериан, 1979).

Для индикации загрязненности воздуха с помощью лишайников последние срезают вместе с корой деревьев незагрязненных районов, помещают на специальные стенды и выставляют в обследуемых местах. Скорость отмирания слоевища регистрируется с помощью фотографирования, которое производится на цветную или инфракрасную пленку через определенное время. Кроме того, путем микроскопирования определяют процент поврежденных клеток водорослей лишайников. Если нужно, можно определить еще содержание хлорофилла. Так осуществляется контроль за состоянием окружающей среды с помощью лишайников, выявляются границы загрязненной территории.

Установлено, что по мере удаления от центра Рура скорость отмирания подопытного лишайника снижается. Особенно удобны лишайники в качестве индикаторов загрязненности окружающей среды, по мнению Р. Гудериана (1979), в случае низких концентраций токсических веществ.

С целью индикации загрязненности окружающей среды используются специальные карты, показывающие частоту встречаемости лишайников и степень покрытия ими стволов. Такие карты составлены для различных районов ЧССР, ФРГ, Великобритании, Канады и других стран. Они почти полностью совпадают с картами, составленными на основании показаний приборов, регистрирующих загрязненность окружающей среды.

Хвойные породы особенно сильно страдают от сернистого газа. Чувствительность к нему у хвойных пород убывает в такой последовательности: ель, пихта, сосна веймутова, сосна обыкновенная, лиственница. Продолжительность жизни хвои сосны в зонах сильного загрязнения сернистым газом составляет один год, тогда как в норме – 3–4 года. Путем учета продолжительности жизни хвои и характера некрозов можно определить степень поражения хвойных насаждений сернистым газом. Важным критерием этого является также содержание хлорофилла.

Особенно удобной для целей индикации сернистого газа по содержанию хлорофилла считается криптомерия японская (Cryptomeria japonica). Ее можно использовать в течение всего года.

Согласно Гертелю, хвоя сосны образует на своей поверхности тем более толстый слой воска, чем выше концентрация или продолжительнее воздействие на нее сернистого газа. Это обстоятельство послужило основанием для разработки количественного метода индикации присутствия в атмосфере данного соединения. Суть метода заключается в том, что определенное количество хвои кипятится в воде. Принимается, что степень помутнения экстракта прямо пропорциональна количеству воска, покрывающего хвою. Чем выше мутность, устанавливаемая с помощью приборов, тем больше концентрация сернистого газа в воздухе. Такой метод получил название «тест помутнения по Гертелю».

Дальнейшие исследования показали, однако, что помутнение водного экстракта из хвои вызвано не только воском, но и целым рядом других веществ, присутствующих в растительном материале. В связи с этим возникли сомнения относительно достоверности данных, полученных с помощью указанного метода. Между тем накопление эпикутикулярного воска под влиянием сернистого газа обнаружено не только у хвойных, но и у других растений, в частности у райграса. По этой причине, возможно, следует определять не интенсивность помутнения экстракта, а непосредственно содержание воска в растительном материале.

Вместе с тем двуокись серы вызывает характерные изменения в содержании фенольных соединений, которые наблюдались за месяц до проявления видимых симптомов повреждения растений ели обыкновенной. В связи с этим реакцию изменения содержания фенолов в хвое ели предлагается использовать для оценки количества сернистого газа, загрязняющего воздух.

Другой характерный признак действия двуокиси серы на растения – снижение pH содержимого клеток. Если растения росли в центре города, то величина pH содержимого клеток коры липы широколистной (Tilia platyphyllos) равнялась 2,72, клеток ясеня обыкновенного (Fraxinus excelsior) – 3,12, а клена остролистного (Acer platanoides) – 3,42. На расстоянии 16,5 км от центра города у тех же объектов величина pH составляла соответственно 3,74, 4,21, 4,35. Между величиной pH и содержанием серы в образцах коры трех растений найдена тесная корреляция. У образцов с более кислой средой отмечено более высокое содержание серы. Таким образом, показатель кислотности клеточного содержимого может служить индикатором накопления растениями сернистого газа.

В качестве показателя скрытого повреждающего действия сернистого таза предлагается использовать интенсивность выделения этилена хвоей лиственницы, сосны и ели, величину активности фермента глутаматдегидрогеназы в листьях гороха и другие критерии.

Салат, люцерна, клевер, гречиха, хлопчатник, овес, подсолнечник, пшеница и ячмень очень сильно страдают от присутствия в среде сернистого газа. Американские исследователи предлагают использовать в качестве индикаторного растения мятлик однолетний (Роа annua), обладающий чрезвычайно высокой чувствительностью к загрязненности воздуха сернистым газом и другими газообразными примесями.