Определить с помощью растений степень загрязненности воздуха и воды вредными веществами — значит решить только часть проблемы охраны окружающей среды. Каким образом можно избавиться от вредных примесей? Здесь на помощь человеку вновь приходят растения.

Борьба с загрязнением атмосферы и гидросферы должна вестись прежде всего с помощью технологических приемов. Однако применение даже очень совершенных фильтров не может полностью предотвратить поступление в окружающую среду вредных веществ. Кроме того, технологические усовершенствования часто нейтрализуются ростом числа объектов, загрязняющих окружающую среду.

В связи с этим наряду с технологическими способами борьбы с загрязненностью атмосферы и гидросферы должен шире применяться биологический метод. Растения призваны дополнять технологические способы борьбы с запыленностью и задымленностью атмосферы, осуществлять доочистку сточных вод.

Растения очищают атмосферу

Способность растений очищать атмосферу от вредных примесей определяется прежде всего тем, насколько интенсивно они их поглощают. Исследования показали, например, что наибольшей газопоглотительной способностью обладают снежноягодник и карагана древовидная, минимальной — липа войлочная и клен серебристый. Предполагают, что низкая газопоглотительная способность указанных растений связана с опушенностью их листьев.

Таким образом, опушенность растений, с одной стороны, способствует удалению из атмосферы пыли, а с другой — тормозит поглощение газов. В связи с этим для озеленения городов, территорий предприятий целесообразно отбирать породы как с опушенными, так и неопушенными листьями. Одни из них будут очищать воздух от пыли, другие — от вредных газов.

При изучении газопоглотительной способности листьев необходимо различать понятия интенсивности и емкости газопоглощения. Под интенсивностью газопоглощения понимают количество газа, поглощенное растением в единицу времени. Емкость газопоглощения — это количество газа, которое растение поглощает за весь период вегетации.

В некоторых случаях в листьях растений обнаруживается невысокая концентрация того или иного фитотоксиканта. Это может быть связано не с низкой интенсивностью газопоглощения, а с более быстрой его ассимиляцией и с оттоком ассимилятов в другие органы.

Растения осуществляют детоксикацию вредных веществ различными способами. Некоторые из них связываются цитоплазмой растительных клеток и становятся благодаря этому неактивными. Другие подвергаются превращениям в растениях до нетоксических продуктов, которые иногда включаются в метаболизм растительных клеток и используются для нужд растений. Обнаружено также, что корневые системы растений выделяют некоторые вредные вещества, поглощенные надземной частью растений, например серосодержащие соединения.

Различные биоценозы играют неодинаковую роль в очистке атмосферы от вредных примесей. Один гектар леса производит газообмен в 3—10 раз более интенсивно, чем полевые культуры, занимающие аналогичную площадь.

Высокая эффективность леса в очистке окружающей среды от вредных примесей связана отчасти с рассеиванием ядовитых газов в воздухе, поскольку в лесу течение воздуха поверх неровных древесных крон способствует изменению характера потоков в самой нижней части атмосферы.

Древесные насаждения увеличивают турбулентность воздуха, создают усиленное смещение воздушных течений, в результате чего загрязнители более быстро рассеиваются (Молчанов, 1973).

Растения и круговорот кислорода

В атмосфере и гидросфере Земли содержится 1,5∙1015 т кислорода. Содержащийся в воздухе и воде кислород является результатом деятельности автотрофных организмов, осуществлявшейся на протяжении длительного периода истории Земли. Появление на Земле кислорода явилось мощным стимулом эволюции живых организмов, поскольку они получили возможность осуществлять свои многообразные физиологические функции благодаря использованию энергии, выделяющейся в большом количестве при аэробной диссимиляции органических веществ.

Кислород, образуемый в ходе фотосинтеза современной растительностью, используется на дыхание самих растений (около 1/3), на аэробное разложение органических веществ микроорганизмами, на дыхание животных и человека, а также на процессы горения различных веществ. Осуществление всех этих процессов приводит к тому, что почти весь кислород, выделяемый наземной растительностью, расходуется и накопления его в атмосфере почти не происходит. К тому же суммарная годовая продукция кислорода лесов составляет, по подсчетам специалистов, ничтожно малую величину по отношению к общему запасу его в атмосфере Земли, а именно около 1/22000. Таким образом, вклад наземных экосистем в баланс кислорода на нашей планете весьма незначителен. Возмещение кислорода, расходуемого на процессы горения, происходит главным образом за счет фотосинтеза фитопланктона. Дело в том, что в достаточно глубоких водоемах отмершие организмы опускаются на такую глубину, где их разложение осуществляется анаэробным путем, т. е. без поглощения кислорода.

Гидросфера оказывает влияние на баланс газов в атмосфере еще и потому, что в ней иное соотношение между азотом и кислородом. Если в атмосфере соотношение между ними равно четырем, то в водоемах относительная доля кислорода примерно в два раза выше, чем в атмосфере. Однако именно со стороны гидросферы нас и поджидает, пожалуй, наибольшая опасность. Дело в том, что в настоящее время моря и океаны все более и более загрязняются. По образному выражению Б. Уорд и Р. Дюбо (1975), океаны — это всеобщая сточная яма нашей планеты, гигантский септический бак. Человек находится под влиянием средневековых представлений о безграничности Мирового океана. Однако это далеко не так. Мировой океан представляет наиболее уязвимую часть биосферы. Интенсивный сброс в моря и океаны загрязняющих веществ создает угрозу возникновения в них анаэробных условий. Так, например, по сравнению с 1900 г. резко сократилось содержание кислорода в Ландсортской впадине Балтийского моря. В настоящее время кислород там практически отсутствует.

Что касается атмосферы, то в ней, как показывают систематические наблюдения за концентрацией кислорода, проводимые с 1910 г., содержание этого газа практически не изменилось и равно 20,9488±0,0017. Это отнюдь не означает, что нам не следует заботиться о сохранении растительного покрова Земли. Темпы использования кислорода резко возросли. По данным И. М. Кутырина (1980), за последние 50 лет было использовано кислорода в процентном отношении столько же, сколько за последний миллион лет, т. е. примерно 0,02 % атмосферного запаса. Человечеству в ближайшем будущем не будет реально угрожать кислородное голодание. Тем не менее для сохранения стабильности газового состава атмосферы предстоит искать новые виды энергий, не требующие расхода кислорода, шире использовать водную, ветровую, ядерную и другие виды энергий.

Растения и круговорот углекислого газа

Одно из важнейших значений зеленых растений заключается в том, что они осуществляют процесс утилизации углекислого газа. О масштабах этого процесса свидетельствует тот факт, что за год растения связывают в форме органических веществ около 6–7 % углекислого газа, содержащегося в атмосфере Земли. Приблизительно около трети количества образованного в ходе фотосинтеза органического вещества, расходуется самими растениями при дыхании, что приводит к высвобождению углекислого газа. Очень незначительная доля органических веществ (около 1/1000) консервируется (например, в виде торфа), а остальное количество их становится достоянием гетеротрофных организмов: микробов, животных, человека. В результате осуществления ими процессов дыхания, брожения и гниения органические вещества распадаются с выделением углекислого газа. Кроме того, углекислый газ высвобождается при горении древесины, газа, нефти, каменного угля и других горючих материалов, при извержении вулканов.

Подсчитано, что в атмосфере Земли имеется 2,3∙1012 т углекислого газа. Атмосфера постоянно обменивается газами с гидросферой. А та содержит в 60 раз больше углекислоты, чем атмосфера. Двуокись углерода атмосферы имеет очень важное значение. Она участвует в регуляции кислотности морей и океанов: при растворении в воде углекислый газ образует угольную кислоту, в результате диссоциации которой возникает карбонатбикарбонатная буферная система.

Моря и океаны действуют подобно насосу, перекачивающему углекислый газ из полярных широт в экваториальные. Происходит это следующим образом. Газы, как известно, лучше растворяются в холодной воде, чем в теплой. По этой причине углекислый газ интенсивно поглощается в холодных областях. При помощи глубинных течений он перемещается в теплые тропические области. Здесь двуокись углерода мигрирует в атмосферу. В связи с этим парциальное давление ее в атмосфере тропиков несколько выше, чем в высоких широтах.

Систематические наблюдения за содержанием углекислого газа в атмосфере были начаты еще в середине прошлого века. Они позволили установить, что в связи с резким возрастанием промышленности начиная с конца XIX в. в атмосфере постепенно возрастает содержание углекислого газа. Только за одно десятилетие с 1960 по 1970 г. доля углекислого газа в атмосфере поднялась с 0,0315 до 0,0320 %. Ученые полагают, что к концу нынешнего тысячелетия концентрация двуокиси углерода в атмосфере возрастет до 0,0379 %.

Накопление ее может иметь самые серьезные последствия. Хорошо известно, что углекислый газ поглощает инфракрасные лучи. По этой причине он действует в атмосфере подобно стеклу в оранжерее: пропускает солнечную радиацию, но задерживает тепловое инфракрасное излучение Земли. Благодаря этому углекислый газ создает так называемый «парниковый эффект».

Еще в прошлом веке некоторые ученые пришли к заключению, что углекислый газ регулирует температуру на Земле в глобальном масштабе и что возрастание его количества в атмосфере может привести к постепенному повышению температуры на Земле, таянию полярных шапок и ледников, к поднятию уровня Мирового океана и сокращению поверхности суши. Следует отметить, что этот прогноз в настоящее время частично подтверждается. Группа японских, австралийских и американских исследователей, работавших в Антарктиде, установила, что в ряде мест этого континента ледовый панцирь постепенно сокращается, в результате чего край льда приблизился к материковой части на 140 морских миль. Ученые полагают, что в основе этого явления лежит «парниковый эффект», вызванный накоплением в атмосфере углекислого газа. Что касается уровня Мирового океана, то в пользу его повышения, возможно, свидетельствует факт постепенного затопления берегов полуострова Флорида, вокруг которого в течение уже десяти лет уровень воды повышается в среднем на полдюйма в год. По мнению некоторых специалистов, уровень Мирового океана в XXI в. поднимется на 2,5 м. Пока же, за XX в., он повысился на 10–15 см.

Средняя годовая температура земного шара равна 14°. Удвоение количества углекислого газа в атмосфере увеличит ее вследствие «парникового эффекта» на 2°. Правда, изменение температуры Земли не обусловлено только концентрацией углекислого газа в атмосфере. С 1900 по 1945 г. наблюдалось потепление климата на Земле, которое затем сменилось похолоданием, причины которого четко не установлены. Следует иметь в виду и то обстоятельство, что при повышении концентрации углекислого газа в атмосфере возрастает скорость фотосинтеза, и это в свою очередь должно способствовать временному усилению использования углекислого газа растениями. Некоторые исследователи высказывали предположение о возможном или даже начавшемся уже увеличении годового прироста биомассы на 5–7—9 %. Однако, как отмечает В. А. Ковда (1975), объективных данных в пользу такого мнения пока нет.

В связи с относительно невысокой концентрацией углекислого газа в атмосфере и внушительными масштабами фотосинтетической деятельности растения оказывают временное заметное влияние на уровень его содержания в природной среде. Так, например, отмечены суточные и сезонные колебания концентрации двуокиси углерода в воздухе. В результате фотосинтетической деятельности растений днем содержание углекислого газа ниже, чем ночью, когда растения не фотосинтезируют. В течение ночи углекислый газ накапливается между растениями, преимущественно около почвы. С восходом солнца его концентрация среди растений начинает постепенно понижаться. Сезонные колебания уровня концентрации углекислого газа выражены менее четко, чем суточные. Ученые установили, что в Северном полушарии содержание CO2 в воздухе в течение лета ниже, чем зимой, на 0,00008 %, а в Южном полушарии — на 0,00002 %.

Интенсивность усвоения CO2 различными лесными породами неодинакова. Если принять скорость усвоения этого газа единицей площади елового насаждения за 100 %, то такая же площадь лиственничного леса усвоит 120 %, соснового — 160, липового — 250, дубового — 450, тополиного — 700 %.

Сернистый газ

Различные виды растений обладают неодинаковой способностью к поглощению сернистого газа. За вегетационный период (с мая по сентябрь) газопоглотительная способность растений выражается, по данным Ю. З. Кулагина (1974), следующими цифрами (в пересчете на сухое вещество 10 кг листвы дерева и 3 кг листвы кустарника) (г):

По другим данным, акация белая за вегетационный период может поглотить 69 г сернистого газа на 1 кг абсолютно сухих листьев, вяз обыкновенный — 39, лох узколистный — 87, тополь черный 157 г. Рододендрон (Rhododendron catawbiense) в эксперименте поглощал сернистый газ менее интенсивно, чем пираканта (Pyracanta coccinea). За 1 ч 1 дм2 поверхности рододендрона усваивал 0,081 мг двуокиси серы, тогда как такая же площадь листьев пираканты — 0,128.

Различия в газопоглотительной способности растений необходимо учитывать при создании санитарно-защитных зон. Некоторые виды (клен ясенелистный, клен остролистный, роза морщинистая, чубушник венечный) характеризуются низкой газопоглотительной способностью и благодаря этому являются высокоустойчивыми к сернистому газу. Поэтому их рекомендуют использовать в посадках, принимающих на себя действие высококонцентрированных газовых потоков.

Некоторые растения отличаются высокой газопоглотительной способностью и одновременно являются устойчивыми к сернистому газу (тополь бальзамический, дерен белый). Эти растения очень удобны для создания лесных полос, предназначенных для очистки воздуха от этого токсиканта. Они зимостойки и засухоустойчивы. К тому же тополь бальзамический растет очень быстро, а дерен теневынослив, благодаря чему может быть использован в качестве подлесочной породы.

В условиях степной зоны Украины сернистый газ усваивается из воздуха целым рядом растений. В зависимости от способности аккумулировать серу эти виды располагаются в следующем порядке: берест>шелковица>бирючина>акация>бузина>айлант>тополь.

Прекрасными объектами для озеленения загазованных районов в Белоруссии считаются: тополь канадский, тополь душистый, тополь бальзамический, тополь берлинский, дерен белый, ива белая. Они отличаются высокой газоустойчивостью и вместе с тем являются весьма ценными для очистки воздуха от газообразных соединений серы.

Благодаря поглощению сернистого газа лесными растениями концентрация его на опушке леса и внутри лесного массива неодинакова.

Движущей силой поглощения двуокиси серы растениями является диффузия молекул главным образом через устьица. Чем сильнее опушены листья, тем меньше поглощают они сернистого газа. Так, например, низкой поглотительной способностью обладают липа войлочная и клен серебристый. Напротив, снежноягодник и желтая акация интенсивно поглощают двуокись серы.

После поступления газа внутрь листа происходит его растворение в жидкой фазе клеток. По этой причине скорость поступления фитотоксиканта оказалась сильно зависимой от влажности воздуха и насыщенности листьев водой. Если листья увлажнены, то они поглощают сернистый газ в несколько раз быстрее по сравнению с сухими листьями. Влажность воздуха также оказывает влияние на этот процесс. При относительной влажности воздуха 75 % растения фасоли поглощали сернистый газ в 2–3 раза интенсивнее, чем растения, произрастающие при влажности 35 %. То же самое наблюдается и у гинкго.

Кроме того, скорость поглощения зависит от освещения. На свету листья вяза поглощали серу на 1/3 быстрее, чем в темноте.

Наконец, поглощение сернистого газа имеет связь с температурой. При температуре 32° растения фасоли более интенсивно поглощали этот газ по сравнению с температурой 13 и 21°. В опытах с различными по устойчивости видами злаков показана прямая связь между концентрацией сернистого газа в растениях и температурой. В связи с тем, что в дневные часы температура выше, чем ночью, побеги сосны в полдень поглощали сернистый газ в 3–4 раза быстрее по сравнению с ночным временем суток.

Поглощенная листьями двуокись серы окисляется до сульфатов, благодаря чему токсичность ее резко снижается. Сульфатная сера включается в обменные реакции, протекающие в листьях, а частично может накапливаться в растениях без возникновения функциональных нарушений. Если скорость поступления двуокиси серы соответствует скорости превращения ее растениями, влияние этого соединения на них невелико. Поглощенный надземными частями сернистый газ передвигается по растению, доходя до корней. Некоторые исследователи обнаружили, что корневыми системами соединения серы выводятся в почву. Возможно, что таким образом растения могут регулировать содержание серы в тканях и избавляться от вредных концентраций фитотоксиканта. Выяснено также, что сернистый газ может поглощаться корнями и перемещаться из них в листья.

Специальные исследования показали, что растения фасоли, культивируемые на питательной среде без серы, в случае газации сернистым газом концентрации 0,5 мг/кг в течение 30 ч на 80 % удовлетворяют свои потребности в сере. После четырех недель газации сухая масса вегетирующих растений в условиях недостатка сульфатов в почве была более чем в 3,5 раза выше, чем в контроле (в чистом воздухе). При этом возрастает также площадь ассимиляционной поверхности. Растения подсолнечника в случае газации сернистым газом удовлетворяли свои потребности в сере на 60 %. После 5 недель газации сернистым газом концентрации 0,5 мг/кг у растений, выращенных на питательной среде без серы, наблюдалось более чем трехкратное увеличение ассимиляционной поверхности, трехкратное возрастание длины стеблей.

Сероводород

Сероводород, загрязняющий иногда атмосферу, может поглощаться листопадными и вечнозелеными растениями, причем разные виды накапливают этот фитотоксикант с различной скоростью.

В высоких концентрациях сероводород вреден для растений, однако низкие его концентрации могут повышать темпы их роста. Так, например, доза этого соединения 300 мг/кг воздуха вызывала депрессию роста салата и сахарной свеклы, а в концентрации 30 мг/кг урожай салата, вес свежих и высушенных листьев и корней сахарной свеклы в условиях теплицы увеличивался. Добавление к сероводороду углекислого газа устраняло депрессию роста этих растений, вызванную высокой концентрацией сероводорода, а в случае хлопчатника и люцерны ускоряло рост растений по сравнению с контролем.

В растениях сероводород может окисляться до сульфатов и транспортироваться в другие органы или накапливаться в листьях. Кроме того, он может связываться с образованием аминокислот (метионина, цистеина и цистина). Эти аминокислоты передвигаются преимущественно по флоэме в растущие органы. Некоторые авторы предполагают, что образование серосодержащих аминокислот — один из способов детоксикации сероводорода. В то же время этот способ его детоксикации играет, по-видимому, незначительную роль.

Успешно произрастают на промышленных площадках, загрязненных сероводородом, алиссум морской, левкой двурогий, а также однолетний, тагетесы прямостоячий и раскидистый, целозия гребенчатая. Эти растения ученые рекомендуют использовать при озеленении территорий, загрязненных сероводородом.

Хлор и его соединения

Отдельно взятые деревья ивы, тополя и ясеня, имеющие как минимум 5 кг листьев, способны поглотить за вегетационный период 200–250 г хлора, кустарники — 100–150 г. Лох узколистный, шелковица, акация белая, тамариск способны накапливать в своих органах до 1 % хлора, оставаясь неповрежденными.

Бельгийская комиссия по озеленению промышленных предприятий, выбрасывающих в атмосферный воздух хлористый водород, располагает изученные виды в следующий ряд (начиная с наименее устойчивых): лещина обыкновенная, дуб черешчатый, береза белая, клен нолевой, ива пепельная, лиственница европейская, ежевика, ясень обыкновенный, тополь серебристый, осина, туя восточная, роза.

Окислы азота

Окислы азота поступают в однолетние сеянцы сосны тем быстрее, чем выше их концентрация в окружающей среде. При этом NO2 поглощается растениями в три раза более энергично, чем NO.

По данным С. В. Дурмишидзе (1977), усвоение и превращение двуокиси азота листьями растений происходит с высокой скоростью. Уже после двухминутной экспозиции побега виноградной лозы в атмосфере 15NO2 все органеллы клеток листьев: ядра, пластиды, митохондрии, рибосомы — оказались обогащенными меченым азотом. Двуокись азота поглощается из воздуха как травянистыми, так и древесными растениями. Из листьев меченый азот передвигается затем в другие органы — стебли и корни. По интенсивности поглощения и включения 15NO2 в азотсодержащие соединения выделялись сосна эльдарская, ясень, клен американский, сосна черная, граб кавказский, дуб имеретинский, дуб грузинский, яблоня обыкновенная, райграс английский. Двуокись азота усваивается корнями и зелеными побегами растений. Особенно интенсивно поглощается она всасывающими корнями. Из корней 15N передвигается в надземные органы растений: в стебель, побеги и листья.

Восстановленный листьями и корнями азот включается затем в аминокислоты. У яблони при этом метка фиксируется в α-аланине, глутаминовой кислоте, тирозине, валине, в листьях шелковицы — в α-аланине, тирозине, фенилаланине и лейцине, у лоха узколистного — в глутаминовой и аспарагиновой кислотах, а у вишни — в валине и глутаминовой кислоте. Первоначально из двуокиси азота образуются азотистая и азотная кислоты, которые в растениях подвергаются нейтрализации с помощью ионов натрия и калия. Таким образом, интенсивность поглощения двуокиси азота растениями обусловлена двумя процессами: нейтрализацией образующихся кислот и восстановлением азота с последующим включением его в состав аминокислот.

Другие окислы азота NO, N2O3 и N2O5 легко растворяются в воде, содержащейся в воздухе, а затем усваиваются растениями. Однако для успешного протекания этого процесса необходимо, чтобы концентрация окислов азота не была губительной для растений. Нормальное усвоение и превращение окислов азота в растениях протекает при их физиологических концентрациях, которые бывают разными в зависимости от внешних условий и вида растения.

Растения, интенсивно поглощающие и усваивающие окислы азота и дающие большую биомассу, могут играть важную роль в очистке окружающей среды от этих фитотоксикантов.

Аммиак

Детоксикация аммиака растениями исследована С. В. Дурмишидзе (1977). Данное соединение обладает слабо выраженной токсичностью. В воздухе в присутствии влаги аммиак реагирует с углекислым газом, образуя карбонаты, или с водой, превращаясь в гидрат окиси аммония. В этих условиях аммиак может образовывать также сульфаты, хлориды и другие аммонийные соли. Связывание поглощенного аммиака растениями происходит в основном в форме амидов — аспарагина и глутамина. Кроме того, могут образовываться аспарагиновая и глутаминовая кислоты, аланин, аргинин и тирозин. Активно участвуют в детоксикации аммиака органические кислоты с образованием аммонийных солей. На это указывает тот факт, что общее обогащение меченым азотом аммиака виноградной лозы гораздо выше, чем суммарная радиоактивность аминокислот, что указывает на быстрое превращение газообразного аммиака в корнях в соли аммония.

Усвоение газообразного аммиака растениями происходит довольно быстро, однако после насыщения растений аммиаком интенсивность его включения в корни и листья уменьшается или остается на неизменном уровне.

Угарный газ

Различные растения поглощают угарный газ неодинаково. Более чувствительная к нему традесканция интенсивнее поглощает его, чем устойчивая овсяница луговая.

Сотрудники Института биохимии растений АН ГССР исследовали механизм усвоения этого соединения растительными организмами. Оказалось, что они усваивают окись углерода и включают ее в общий метаболизм. Проростки райграса, кукурузы и фасоли, выращенные в стерильных условиях, активно метаболизируют угарный газ. Усвоение и превращение его происходят как на свету, так и в темноте, однако на свету эти процессы осуществляются значительно быстрее. Листья некоторых растений способны связывать угарный газ на свету даже в том случае, если содержание его в газовой среде составляет 60–90 %. При низких концентрациях СО (1,25–12,5 мг/м3) скорость фиксации этого соединения листьями растений мало зависела от освещения.

В результате первичного окисления из окиси углерода образуется углекислый газ, который потребляется растениями в ходе фотосинтеза. По этой причине интенсивность усвоения угарного газа на свету значительно выше, чем в темноте.

Интенсивность связывания СО варьирует также у разных видов растений. Угарный газ активно усваивается кленом, бирючиной, ольхой, осиной, елью. Установлено, что однорядная посадка клена ясенелистного (при ширине полосы 4 м) снижает уровень загрязненности воздуха угарным газом на 7—10 %, а при пятирядной посадке (ширина полосы 30 м) снижение уровня загрязненности угарным газом составляет 60–70 %. По другим данным, каждый 1 км2 поверхности, занятой высшими растениями, за сутки усваивает от 12 до 120 кг окиси углерода. В пересчете на год растительность Земли усваивает 3—30∙108 т угарного газа.

Важная роль в связывании СО принадлежит почвенным бактериям. Еще в 1926 г. было установлено, что садовая почва, помещенная в атмосферу светильного газа, поглощает угарный газ. Однако, если почва была предварительно простерилизована, фиксации СО не происходило. Дальнейшие исследования позволили установить, что наибольшую CO-связывающую активность проявляют богатые органикой почвы, в частности тропические, а наименьшую — почвы пустынь. Активность почвы возрастает с повышением температуры, достигая максимума при 30°. Если же температура становилась выше 40°, то наблюдалось не поглощение, а выделение СО. Масштабы поглощения угарного газа почвенными микроорганизмами оцениваются исследователями по-разному: от 5–6∙108 т/год до 14,2∙109 т/год.

Свинец

Древесные растения (каштан конский, липа сердцевидная, тополь черный), произрастающие вдоль улиц городов, очищают воздух, загрязненный выхлопными газами автомобилей, от свинца. Интенсивность очищения воздуха от этого элемента составляет 30–40 мг на 1 кг сухой массы листьев. Осадки смывают с листьев 30–60 % этого металла. Растения, подкормленные минеральными удобрениями, интенсивнее поглощают свинец, чем неподкормленные растения. Наибольшей очищающей способностью по сравнению с другими изученными объектами отличаются листья конского каштана. Сомкнутые насаждения вдоль автомобильных дорог значительно ограничивают распространение свинца, содержащегося в выхлопных газах автомобилей.

Пыль

Велика роль зеленых насаждений в очистке воздуха от пыли. Мы уже отмечали, что особенно запыленным является воздух городов с развитой промышленностью. Даже в поле содержится до 25 г, а в засуху до 50 г. пыли на 1 м3 воздуха. Вместе с тем в лесу пыль практически отсутствует. Например, на расстоянии 3 км от опушки леса число пылевых частиц составляет всего 5 % от того количества, которое имеется в воздухе у стены леса. Ученые, работающие на Лесной опытной даче Тимирязевской сельскохозяйственной академии, в конце марта определяли количество пылевых частиц в снежном покрове. Для этого пробы снега оттаивали, после чего осадок отфильтровывался и высушивался. Оказалось, что на 1 м2 поверхности изреженного соснового леса приходится 49–63 г пылевых частиц, тогда как в кварталах, расположенных в центре лесного массива, — 23–25 г. Из этого можно сделать заключение, что леса играют особую роль в очистке воздуха от ныли. Дело в том, что если площадь листовой поверхности травянистых ландшафтов превосходит занимаемую территорию в 2–6 раз, то лесных — в 7—10 раз. Одно дерево тополя высотой 9 м имеет площадь ствола и ветвей, равную 8,5 м2, и плюс к тому листовую поверхность, равную 51 м2. Площадь хвои на 1 га густого леса составляет 10–12 га. Исследователи установили, что 1 га пихтового леса в состоянии задержать за год 32, елового — 30, соснового — 35, дубового — 54 т пылевых частиц. Еще более эффективен в этом отношении буковый лес, каждый гектар которого задерживает до 68 т пыли. Это связано с тем, что 1 га буковых насаждений развивает общую листовую поверхность, равную 75 га.

Задержке пыли способствует наличие на листьях деревьев и кустарников опушения. Если за вегетационный период тополь черный, растущий поблизости от цементного завода, способен осадить 44 кг пыли, тополь белый — 53, ива белая — 34, клен ясенелистный — 30 кг, то опушенные листья вяза мелколистного задерживают пыли значительно больше.

Пыль, оседающая на листьях и ветвях деревьев и кустарников, смывается затем осадками на землю. Это приводит к тому, что запыленность воздуха в городском парке снижается в летнее время на 42 % по сравнению с застроенными и неозеленными территориями, а в зимнее время до 37 %. Некоторые исследователи подчеркивают, что это свойство зеленых насаждений не может быть полностью заменено техническими усовершенствованиями производства. Дело в том, что даже самые совершенные пылеуловители пропускают в атмосферу около 3 % твердых частиц. В связи с этим роль зеленых насаждений в очистке воздуха городов от пыли чрезвычайно велика.

Учитывая это, градостроители совершенно правильно поступают, включая в современную городскую планировку существующие лесные массивы, которые по возможности расширяются за счет дополнительных лесопосадок. Они необходимы с социально-гигиенической точки зрения. Особое значение имеет озеленение территорий предприятий и разведение растений внутри помещений.

Органические вещества

Превращение предельных углеводородов. Газообразные предельные углеводороды усваиваются растениями через листья и через корни (например, проростки риса усваивают через корни метан). По данным С. В. Дурмишидзе (1977), меченый углерод метана включается в состав различных органических соединений клетки, а часть его выделяется в виде 14CO2. В проростках кукурузы, побегах чая и тополя идентифицированы органические кислоты — муравьиная, яблочная, лимонная, янтарная, фумаровая, а также аминокислоты — лейцин, глутаминовая кислота, α-аланин и глицин. Исследователи предполагают, что окисление метана в растениях осуществляется по схеме: метан→метанол→формальдегид→муравьиная кислота→…→CO2. Образующаяся при окислении метана муравьиная кислота может подвергаться в растениях дальнейшим превращениям до углекислого газа. Научно-технический прогресс в последние годы способствовал резкому повышению производительности труда шахтеров. Современное оборудование позволяет добывать из одного забоя до 2–5 тыс. т угля в сутки. Ученые работают над тем, чтобы обеспечить добычу 8—10 тыс. т.

Однако чем интенсивнее ведется добыча угля в шахте, тем быстрее в воздухе накапливается метан, представляющий большую опасность для шахтеров. На многих шахтах Донбасса, Кузбасса и Караганды на каждую тонну добытого угля высвобождается более 100 м3 метана. Существующие методы уменьшения содержания этого газа в атмосфере шахт оказались малоэффективными. Исследователи пришли к выводу, что избавиться от метана могут помочь бактерии. Бактерии, усваивающие метан и разлагающие его до углекислого газа и воды, предполагается нагнетать через скважины внутрь пластов. Экспериментально была показана возможность активной жизнедеятельности потребляющих метан бактерий в пористой структуре угля. Применение этого метода позволит коренным образом улучшить условия труда шахтеров, сделать его более безопасным и продуктивным.

Этан, пропан, бутан, пентан усваиваются стерильными корнями и облиственными стеблями проростков кукурузы и фасоли. Особенно активны в усвоении и превращении этих соединений корни. Они более интенсивно осуществляют окисление низших алканов до углекислого газа, чем листья. Продукты превращения предельных углеводородов транспортируются в другие органы растений.

Растения отличаются между собой по способности усваивать низшие алканы. Например, листья чая более активно поглощают пентан, чем этан, а виноградная лоза и айва, напротив, более интенсивно усваивают этан.

Превращение ненасыщенных углеводородов. Удаление из природной среды этилена осуществляется почвенными микроорганизмами. Прямыми опытами показано, что стерильная почва этилена не поглощает. Окисление его осуществляют чистые культуры различных почвенных бактерий, в том числе микобактерий. Способность к окислению этилена сохраняется у бактерий даже при тех низких его концентрациях, которые наблюдаются в естественной обстановке.

Что касается высших растений, то здесь следует иметь в виду их способность продуцировать это вещество. В незначительных количествах этилен находится во всех растительных тканях. В них он играет роль ингибитора ростовых процессов.

Превращение спиртов, альдегидов, кетонов и кислот. Листья растений могут усваивать из атмосферы изопропиловый, изобутиловый, гексиловый, октиловый спирты, формальдегид, ацетальдегид, ацетон, муравьиную, уксусную, масляную, ацетоуксусную и капроновую кислоты. При этом они претерпевают химические превращения, в результате которых углерод этих соединений включается в состав органических кислот и аминокислот, транспортирующихся затем в корни растений. Однако состав органических кислот и аминокислот, в которые включается углерод, различен в зависимости от вида растения и внешних условий. В листьях базилика, например, 50 % радиоактивного углерода усвоенного ацетона включается в янтарную кислоту. В случае гексилового спирта содержание меченого углерода в янтарной кислоте доходит до 95 % всей радиоактивности органических кислот.

При усвоении корнями этанола радиоактивный углерод обнаруживается во фракции сахаров, органических кислот и аминокислот, равномерно распределяясь между ними. У тополя меченый углерод оказывается в основном в аминокислотах, меньше его в органических кислотах, а в сахарах он почти совсем отсутствует.

Обнаружение высокой радиоактивности фракции органических кислот позволяет заключить, что усвоенные листьями и корнями спирты, альдегиды, кетоны и кислоты включаются в метаболизм главным образом путем их аэробного окисления.

В листьях проростков кукурузы формальдегид окисляется до муравьиной кислоты, которая затем подвергается дальнейшим превращениям. Основным путем превращения муравьиной кислоты в листьях проростков кукурузы является окисление ее до углекислого газа. Интенсивность этого процесса резко стимулируется светом. В листьях пшеницы превращение этого соединения включается сразу же после начала опыта, причем большая часть радиоактивности оказывается в глутаминовой кислоте и серине.

Превращение ароматических углеводородов. Ароматические углеводороды и их производные относятся к числу широко распространенных загрязнителей окружающей среды. Бензол, толуол и ксилол, поступая в растения вместе с поливными водами, где их концентрация составляет 50 мг/л, включаются в процессы обмена веществ, в ходе которых подвергаются детоксикации. В зеленой массе кукурузы ароматические углеводороды обнаруживаются в течение 4–5 дней, в злаковых травах — 2–3 дней, в корнеплодах моркови — 5–6 дней после полива растений сточными водами. За это время они подвергались полной детоксикации. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в корнеплодах моркови процесс детоксикации ароматических соединений протекает наиболее медленно. По-видимому, это связано с тем, что в запасающих органах интенсивность обмена веществ сравнительно невысока. Наиболее быстро ароматические углеводороды обезвреживаются в злаковых травах. Важно отметить, что опытные растения по внешнему виду не отличались от контрольных. По сравнению с зелеными растениями в почве процессы детоксикации ароматических углеводородов протекают значительно медленнее.

Если спустя некоторое время после первого полива растения вновь подвергнуть воздействию поливных вод, то процессы обезвреживания в них ароматических углеводородов протекают значительно быстрее. Это обстоятельство позволяет предположить, что в процессах детоксикации участвует адаптационная ферментная система.

Весь комплекс проведенных исследований свидетельствует об активной роли зеленых растений в детоксикации органических веществ, поступающих на поля орошения.

Ученые установили, что пары бензола активно поглощаются листьями растений. Особенно интенсивно усваивают бензол клен полевой, лох узколистный, груша кавказская дикая, грецкий орех, миндаль обыкновенный, черешня, аморфа, вишня обыкновенная, каштан, яблоня, тополь канадский, сирень обыкновенная, катальпа и другие растения. Эти виды поглощают на 1 кг веса листьев миллиграммовое количество бензола в сутки.

Ряд растений (ольха бородатая, бобы конские, осина, берест, ясень, груша культурная, айва, хурма, очиток кавказский, лавр благородный, гледичия, фасоль, сосна, туя, абрикос, виноградная лоза) поглощает килограммом свежей листвы десятые доли миллиграмма бензола в сутки.

Наконец, третья группа растений (ель, шелковица, ляпа круглолистная, тростник обыкновенный, кукуруза, грабинник, слива, мушмула обыкновенная, алоэ, роза, платан, алыча дикая, кипарис пирамидальный, герань розовая, бирючина обыкновенная, гранат, рододендрон понтийский, виноград лесной, картофель, томаты, ива белая) поглощает на 1 кг свежих листьев несколько микрограммов бензола в сутки.

Бензол может поступать в растения не только из атмосферы, но и с поливными водами, из которых он усваивается корнями.

Первичным продуктом превращения бензола в растительном материале является фенол. Исследователи предполагают, что образующийся из бензола фенол подвергается гидроксилированию с образованием пирокатехина, который расщепляется с образованием муконовой кислоты. Таким образом, превращение бензола в растительном материале можно представить в виде следующей схемы:

Бензол → Фенол → Пирокатехин → Муконовая кислота →… → CO2.

В результате β-окисления муконовой кислоты образуется сначала фумаровая кислота, а в дальнейшем и другие кислоты: янтарная, яблочная, гликолевая, малоновая, щавелевая. Среди аминокислот радиоактивная метка бензола оказывается главным образом в ароматических аминокислотах — фенилаланине и тирозине.

Главную роль в процессе окисления бензола в растениях играют медьсодержащие ферменты.

Согласно С. В. Дурмишидзе (1977), высшие растения способны поглощать и перерабатывать толуол. Этой способностью обладают как корни, усваивающие толуол из поливных вод, так и надземные части растений. Особенно интенсивно поглощают толуол клен, лох и некоторые другие растения.

Первичным продуктом расщепления ароматического кольца толуола являются органические кислоты: гликолевая, глиоксалевая, фумаровая, янтарная и яблочная. В составе аминокислот метка включается в основном в фенилаланин и тирозин.

Следует остановиться на превращении в растениях бензойной кислоты. В хлоропластах это соединение претерпевает глубокие окислительные превращения, которые включают гидроксилирование, декарбоксилирование и расщепление ароматического кольца вплоть до выделения углекислого газа. Одним из первичных продуктов окислительного превращения бензойной кислоты может быть фенол.

Фенол и его производные являются весьма распространенными наиболее токсичными загрязнителями окружающей среды. Они могут усваиваться растениями как через листья, так и через корни. Высокой фенолаккумулирующей способностью обладают шелковица белая, бузина красная, бирючина обыкновенная, сирень обыкновенная.

Как и бензол, фенол окисляется с расщеплением ароматического ядра с образованием муконовой кислоты (Дурмишидзе, 1977). Среди аминокислот метка включается в лейцин, α-аланин, метионин и валин. Растения детоксицируют экзогенный фенол и путем связывания пептидами. Введение в растительные ткани проростков гороха ионов меди и железа увеличивает скорость детоксикации экзогенных одноядерных фенолов. Соединения меди катализируют лишь первичные реакции детоксикации фенола и практически не влияют на дальнейшее окисление его скелета.

α-нафтол усваивается как корнями, так и листьями кукурузы, фасоли, базилика и других растений (Дурмишидзе, 1977). Основными продуктами окислительного превращения этого соединения являются органические кислоты: малоновая, фумаровая, янтарная, гликолевая и яблочная. Часть радиоактивного углерода α-нафтола оказывается в углекислом газе.

Превращение полициклических ароматических углеводородов. Полициклические ароматические углеводороды оказывают очень сильное воздействие на человека и широко распространены в окружающей среде. Наиболее активным из них является бенз(а)пирен (Шабад, 1973). Наряду с канцерогенной активностью полициклические ароматические углеводороды обладают хорошо выраженным мутагенным действием.

Бенз(а)пирен может переходить из воздуха в почву, из почвы в растения, а затем в корма сельскохозяйственных животных и в пищу человека. Микроорганизмы почвы обладают способностью разрушать бенз(а)пирен и превращать его в различные химические соединения. Кроме того, в детоксикации этого соединения участвуют и высшие растения. Морковь, редис и шпинат поглощают бенз(а)пирен тем интенсивнее, чем больше его в питательном растворе. Процесс поглощения зависит от химического состава и физических свойств субстрата. Растительные масла и детергенты, будучи растворителями ароматических полициклических углеводородов, снижают поступление бенз(а)пирена из кварцевого песка.

Стерильные растения кукурузы, фасоли, люцерны, райграса, нута, огурцов, тыквы, ежи сборной, вики усваивают бенз(а)пирен корнями и листьями, превращая его в различные соединения с открытой цепью (Дурмишидзе, 1977). Интенсивность метаболизации бенз(а)пирена определяется видом растения и колеблется в пределах 2—18 % от поглощенного растениями канцерогена. Высушивание растительной массы райграса под воздействием ультрафиолетового излучения способствовало снижению количества бенз(а)пирена в зеленой массе и накоплению его метаболитов. Продукты превращения бенз(а)пирена могут транспортироваться из корней в листья, а из листьев — к корням.

Радиоактивный углерод бенз(а)пирена обнаруживается в различных органических кислотах — фумаровой, малоновой, янтарной. Конечным продуктом распада молекулы этого канцерогена является углекислый газ. Чем меньше концентрация бенз(а)пирена в питательной среде, тем полнее распадается он до двуокиси углерода. В окислительном превращении бенз(а)пирена участвуют ферменты, содержащие в активном центре ионы меди, а в боковом — сульфгидрильную группировку. Наиболее интенсивно процесс окисления канцерогена осуществляется ферментными системами пластид и митохондрий.

В окружающей среде широко распространен и другой канцероген из группы полициклических ароматических углеводородов — бенз(а)антрацен. Структура этого соединения менее жестка по сравнению с бенз(а)пиреном. В растениях он подвергается различным превращениям вплоть до образования соединений с открытой цепью. Так, например, в стерильных условиях райграс и люцерна способны расщеплять его до конечного продукта — углекислого газа.

Радиоактивный углерод бенз(а)антрацена включается в состав низкомолекулярных и высокомолекулярных веществ. Среди органических кислот, в состав которых включается углерод бенз(а)антрацена, следует отметить фумаровую, янтарную, лимонную, гликолевую и щавелевую кислоты. Из аминокислот наиболее радиоактивными были α-аланин, лейцин, серин, валин, триптофан и фенилаланин.

Бензидин (4,41-диаминобифенил) усваивается проростками кукурузы и фасоли. Превращение бензидина в растениях происходит с расщеплением бифенильной структуры его молекулы (Дурмишидзе, 1977). Меченый углерод этого соединения обнаруживается в составе низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений, а частично выделяется в виде углекислого газа. Среди органических кислот радиоактивный углерод обнаруживается в яблочной, фумаровой, малоновой, лимонной, гликолевой, глиоксалевой, щавелевой.

Превращение пестицидов. Д. И. Чкаников (1981) выделил три этапа превращения в растениях пестицидов и других ксенобиотиков.

1. Гидролиз, восстановление, окисление, гидроксилирование, галогенирование, дезалкилирование и иные химические превращения, в результате которых изменяется их активность.

Присутствие в растительных тканях разнообразных высокоактивных ферментных систем (эстераз, амидаз, гидролаз, фосфатаз и др.) служит основой гидролиза этих и других соединений.

2. Конъюгация ксенобиотиков и первичных продуктов их метаболизма с углеводами (обычно с глюкозой), аминокислотами и иными соединениями с последующей локализацией продуктов конъюгации в компартментах, где они не могут воздействовать на процессы обмена веществ (например, в вакуолях). Конъюгированию с различными аминокислотами подвергается, например, 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота и другие галоидфеноксикислоты. Симм-триазины могут конъюгировать с глутатионом.

3. Полимеризация и другие изменения метаболитов, ведущие к образованию нерастворимых продуктов.

Производные феноксиуксусной кислоты являются широко используемыми гербицидами в посевах культивируемых растений. Применение их создает опасность нежелательного накопления этих веществ. В кукурузе, горохе и фасоли наряду с превращениями, затрагивающими боковую цепь феноксиуксусной кислоты и 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, осуществляется и деградация ароматического кольца. В результате декарбоксилирования значительная часть углерода из боковой цепи отщепляется и выделяется в виде углекислого газа, а также включается в нормальный обмен веществ с образованием крахмала, белков и нуклеиновых кислот.

Ароматическое кольцо феноксиуксуспых кислот подвергается расщеплению, причем радиоактивная метка оказывается в составе органических кислот: муконовой, фумаровой, янтарной, яблочной, гликолевой и лимонной.

Мутагены. Предотвратить нарушения генетического аппарата, вызванные мутагенными веществами, позволяют некоторые витамины, в частности витамины Е, С и провитамин А (каротин). В растениях присутствуют и другие вещества, противодействующие мутагенам. Это было установлено путем исследования антимутагенной активности гомогенатов растительных тканей. Оказалось, что опасное действие мутагена Trp-Р лучше всего нейтрализуется гомогенатами кочанной капусты, брокколи, баклажанов, лука-шалота, имбиря, ананаса, листьев мяты. Несколько слабее, но достаточно эффективно действуют гомогенаты редиса, батата, винограда, цветной капусты и некоторых других растений. Самый широкий спектр действия оказался у баклажана, лопуха и брокколи. Они инактивировали целый ряд мутагенов. Интересно отметить, что при кипячении гомогенатов происходит потеря ими антимутагенной активности. Это позволяет предположить, что обезвреживание мутагенов происходит в результате реакций обмена веществ протекающих при участии ферментов.

Радиоактивность

Лес способствует очистке атмосферы от радиоактивного загрязнения. Ученые установили, что листья и хвоя деревьев захватывают до 50 % радиоактивной пыли, защищая посевы от радиоактивного загрязнения. Перехватывать содержащиеся в воздухе радиоактивные аэрозоли, снижая плотность загрязнения полей и пастбищ, могут полезащитные полосы. После сильного кратковременного облучения полосы леса радиоактивность наветренной стороны была в 32 раза больше по сравнению с подветренной. Радиоактивные элементы не только механически задерживаются растениями, но и усваиваются ими. Это обстоятельство должно учитываться при выборе мест для строительства атомных электростанций. Их следует размещать в окружении больших лесных массивов, с тем чтобы обеспечить максимально возможную защиту населения о радиоактивного излучения.

Если по каким-либо причинам заражение почвенно-растительного покрова местности радиоактивными веществами превышает допустимые нормы, ученые рекомендуют использовать загрязненные земли под лесопосадки. К моменту спелости леса, наступающей обычно через 80—100 лет после его посадки, содержание радиоактивных веществ в почве и деловой древесине в результате радиоактивного распада и других процессов самоочищения почв снизится настолько, что почвы после вырубки леса могут быть вновь использованы в качестве сельскохозяйственных угодий. Но дело не только в этом. Вынос радиоактивных веществ с территорий, не занятых лесом, значительно выше, нежели с облесенных площадей. Лес надежно препятствует расширению зоны радиоактивного заражения. В связи с этим в настоящее время специалисты изучают возможность облесения территорий, где захоронены радиоактивные отходы, а также ураносодержащих отвалов.

Какие же породы деревьев могут быть использованы для этих целей? Едва ли целесообразно высаживать в местах повышенной радиоактивности хвойные растения, поскольку среди наземных экологических систем они обладают наименьшей устойчивостью к радиоактивному излучению.

Проводя озеленительные работы в местах радиоактивных заражений, следует учитывать и другое. Получая радиоактивные элементы из почвы или вместе с радиоактивной пылью, растения накапливают их и служат источником попадания в пищевые цепи экологических систем. Так, например, установлено, что даже в очень удаленных от ядерных взрывов местах радиоактивность растений возрастает в десятки и даже сотни раз. Вполне естественно, что концентрация радиоактивных элементов в поедающих их животных также увеличивается. Некоторые растения, например, брусника, накапливают большое количество радиоактивного стронция, единственным источником которого является вода. Дубы могут концентрировать рутений-106 в листьях, побегах и коре, даже находясь на очень большом расстоянии от места его локализации.

Растения очищают гидросферу

Растения очищают не только воздух, но и воду. При сравнительно небольшом загрязнении водоемы обладают способностью к самоочищению. Под самоочищением понимают совокупность всех процессов, направленных на восстановление первоначального химического состава и свойств воды. Так, например, сразу же у выходного отверстия городских коллекторов обычно довольно высокие концентрации нечистот, однако через несколько километров ниже их сброса вода бывает довольно чистой. Самоочищение представляет собой сложное явление, в котором можно выделить ряд процессов: физических, химических и биологических.

Среди физических факторов, способствующих самоочищению водоемов, первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающих в водоемы загрязнителей. Химические факторы самоочищения — окисление органических и неорганических веществ. Одним из важнейших компонентов самоочищения является использование веществ, загрязняющих воду, живыми организмами (бактериями, водорослями, плесневыми и дрожжевыми грибами и т. п.). Этот процесс составляет основу так называемого биологического самоочищения. Биологическое самоочищение включает ряд последовательных этапов:

1) использование веществ сточных вод гетеротрофными микроорганизмами;

2) рост и размножение зоопланктона и зообентоса за счет бактерий, взвешенного и растворенного органического вещества;

3) развитие водорослей и стимулирование процесса фотосинтетической аэрации;

4) развитие высшей водной растительности.

Высшая водная растительность, препятствуя процессу антропогенного евтрофирования, способствует ликвидации последствий загрязнения водоемов (Синельников, 1978).

Одним из наиболее активных поглотителей вредных веществ являются бактерии. Некоторые из них окисляют органические вещества в присутствии кислорода, другие осуществляют их распад в анаэробных условиях. Весьма важно, чтобы процесс распада органических веществ осуществлялся в аэробных условиях. В отсутствие кислорода органические вещества разлагаются анаэробными микроорганизмами с образованием вредных веществ типа сероводорода, аминов, метана.

Жизнедеятельность микроорганизмов, участвующих в самоочищении водоемов, зависит от температуры. Неудивительно, что в умеренной климатической зоне самоочищение реки происходит на участке 200–300 км, a на Крайнем Севере — до 2000 км.

Другим условием успешного протекания процесса самоочищения воды является присутствие в воде вредных примесей в слабой концентрации. При наличии большого количества ядовитых соединений происходит гибель всех организмов, в том числе и участвующих в самоочищении воды.

На способности бактерий обезвреживать вредные примеси основано их использование для биологической очистки сточных вод при помощи аэробных биохимических процессов. Биологическая очистка сточных вод в естественных условиях часто осуществляется на специальных подготовленных участках земли — нолях орошения или полях фильтрации. На полях орошения одновременно с очисткой вод выращивают кормовые сельскохозяйственные культуры или травы (обычно это костер безостый, овсяница луговая, тимофеевка луговая, клевер белый).

Первые поля орошения для очистки бытовых сточных вод появились в XVIII в. в Великобритании под Эдинбургом, а затем в Ашбертоне и Девоне. В 1857 г. в Лондоне была создана специальная комиссия, которая после изучения вопроса о способах очистки сточных вод пришла к заключению, что сбрасывать их в реки, даже очищенными, опасно. Лучше всего орошать сточными водами земледельческие угодья. В почве произойдет очищение воды, и водоемы окажутся чистыми.

В России первые поля орошения появились сначала в Одессе в 1887 г., затем в Киеве (1894 г.) и, наконец, в Москве (1898 г.).

В конце XIX в. стоки использовались для орошения в Германии, Франции, США, Австралии, Южной Африке, Индии.

Поля орошения существуют и в настоящее время. Однако широкого распространения орошение стоками не получило. Этот метод очистки сточных вод до сих пор изучен недостаточно. Между тем состав сточных вод непостоянен и не везде одинаков. Даже в одном и том же населенном пункте он меняется с течением времени. Кроме того, многие опасаются, что орошение сточными водами приведет к накоплению вредных веществ в продуктах питания, будет способствовать распространению инфекционных заболеваний.

В последние годы интерес к очистке воды путем орошения резко повысился. Это связано главным образом с нехваткой воды. Очистка сточных вод путем орошения привлекает к себе тем, что содержащиеся в них питательные вещества (азот, фосфор, микроэлементы) будут использоваться растениями. Кроме того, удастся получить на орошаемых землях гарантированные высокие урожаи. В экспериментах, проведенных в ГДР и ПНР, в результате орошения полей сточными водами урожай кормовых культур и трав значительно увеличился. Расчеты и практический опыт показывают, что уже за 3–4 года окупаются затраты на создание систем орошения сточными водами и хозяйства начинают получать прибыль. Наконец, очень важным представляется и то, что будет исключена опасность загрязнения водоемов этими стоками. Напомним, что это был один из основных аргументов специальной английской комиссии по изучению способов очистки сточных вод, которая работала еще в середине прошлого столетия.

В 1973 г. в пос. Купавна под Москвой был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт по сельскохозяйственному использованию сточных вод. Исследования, проведенные в этом институте, позволили установить, что на поля можно направлять стоки от предприятий пищевой промышленности (сахарных, пивоваренных, дрожжевых заводов), а также некоторых текстильных фабрик. Токсикологические анализы на лабораторных животных показали, что на поле, орошаемом сточными водами тонкосуконной фабрики, вырастают вполне доброкачественные корма. Необходимо лишь соблюдать определенные санитарно-гигиенические требования (например, косить траву не раньше, чем через две недели после прекращения полива). Из скошенных трав можно готовить витаминизированную травяную муку.

В связи со строительством крупных животноводческих комплексов остро встал вопрос, куда девать так называемые «навозсодержащие стоки», образующиеся в громадных количествах. Для их хранения созданы специальные резервуары, возведены дамбы. Однако это едва ли лучший способ их употребления. Дело в том, что в случае разрушения дамб «навозсодержащие стоки» оказываются в водоемах, вызывая сильное загрязнение окружающей среды, массовую гибель рыбы и других водных организмов. Между тем «навозсодержащие стоки» содержат ценные вещества, необходимые для роста растений. В Белгородской области стоки от животноводческих комплексов стали использовать для полива земледельческих полей орошения. На орошаемых полях кормовые травы, свекла и кукуруза дают урожай в 2–3 раза больший, чем на богарных землях. Кроме того, сократился расход на орошение чистой воды, а также минеральных удобрений.

На отведенных для полей фильтрации и орошения участках создается оросительная сеть каналов, по которым подаются сточные воды. Очистка от загрязнений происходит в процессе фильтрации вод через почву. Слой почвы в 80 см обеспечивает достаточно надежную очистку.

В Польше, ГДР и ФРГ бытовые сточные воды используются для орошения полей, лугов и лесов.

Кроме полей орошения для очистки сточных вод в естественных условиях используют биологические пруды. Они представляют собой неглубокие земляные резервуары, в которых происходят те же процессы, что и при самоочищении водоемов. Обычно биологические пруды располагаются сериями на разных уровнях, благодаря чему вода из верхнего пруда самотеком направляется в нижерасположенные.

В процессе самоочищения водоемов большое значение придается одноклеточным водорослям, которые обладают антибактериальными свойствами и способны к детоксикации вредных органических и неорганических веществ. В связи с этим внесение в пруды определенных водорослей интенсифицирует процесс очистки воды от органических загрязнителей, улучшает их кислородный режим, уменьшает численность сапрофитных микроорганизмов.

Биологическая очистка сточных вод в искусственных условиях проводится в специальных сооружениях — биофильтрах или аэротенках. Биофильтрами называются сооружения, в которых биологическая очистка сточных вод осуществляется путем их фильтрации через слой крупнозернистого материала. Поверхность зерен покрывается биологической пленкой, заселенной аэробными микроорганизмами. В биофильтрах процесс очистки сточных вод протекает значительно интенсивнее, чем на полях орошения или полях фильтрации.

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, через которые медленно протекают подвергающиеся интенсивной аэрации сточные воды, смешанные с активным илом, заселенным аэробными микроорганизмами. Интенсивность очистки воды в аэротенках в сотни раз выше, чем в природе при самоочищении.

В очистке вод важное значение имеют не только микроорганизмы, но и обитающие в водоемах высшие растения. Они поглощают растворенные в воде соли, ассимилируют накапливающийся в результате разложения органики углекислый газ и, что не менее важно, продуцируют кислород, необходимый для дыхания растений, животных и микроорганизмов.

Из нескольких видов водного гиацинта наиболее известным является Eichhornia crassipes, родина которого — Бразилия. Благодаря своим привлекательным цветкам, это растение при помощи человека в конце прошлого века распространилось в водах Флориды, Техаса, Луизианы, Миссисипи и других штатов США. В дальнейшем водный гиацинт появился в Мексике, Бирме, Австралии, Индонезии, Индии, Шри-Ланке. Завоевал он позиции и в водоемах Африки. Это растение представляет собой пучок курчавых ярко-зеленых листьев, собранных в круглую розетку. У каждого листа имеется пузыревидный черешок, удерживающий лист на поверхности воды. Цветет эйхорния великолепными цветками с голубыми или бледно-фиолетовыми лепестками. Несмотря на это эйхорния пользуется очень плохой славой, так как, поселившись в водоеме, она быстро размножается и забивает каналы, мелиоративные сооружения и речные русла, мешая судоходству и рыболовству. Иначе говоря, это злостный сорняк водоемов.

Процесс размножения водного гиацинта осуществляется так быстро, что при благоприятных условиях он может в течение 10 месяцев «обжить» площадь водоема, превышающую 4 тыс. м2. Только в одном штате Луизиана сумма потерь, связанных с обитанием в водоемах эйхорнии, составляет ежегодно около 38 млн долларов.

Между тем было отмечено, что там, где растет эйхорния, вода всегда бывает очень чистой. Ученые установили, что она очень интенсивно поглощает из воды многие вредные вещества (инсектициды, фенолы, соединения тяжелых металлов: ртути, свинца, кадмия). В США создали специальную оранжерею с площадью водоема в 0,6 га. В этот водоем стали подавать предварительно обработанные озоном сточные воды. Циркулируя среди зарослей эйхорнии, вода за пять дней освобождалась от токсических примесей. Стоимость очистки воды с помощью эйхорнии оказалась в два раза ниже по сравнению с обычной. Если будут найдены способы регулирования размножения этого растения, то, возможно, его удастся использовать для очистки особо загрязненных открытых водоемов.

Эйхорния — теплолюбивое растение. По этой причине она не может быть использована для очистки водоемов в средних и северных широтах. С этой целью в нашей стране, а также в некоторых других странах в последние годы стали употреблять хорошо известные всем тростник, камыш, рогоз, образующие мощные, устойчивые сообщества. Проходя через заросли этих растений, сточные воды в значительной степени освобождаются от балластных и токсических веществ. У рогоза этому способствует строение корневой системы, отходящей от горизонтально ориентированного корневища вверх и вниз. Первые разветвляются в воде, а вторые пронизывают дно водоема. Благодаря этому рогоз успешно очищает от загрязнений воду и дно.

В настоящее время указанные растения используются в Донбассе для очистки шахтных вод. При этом стоки поступают в водоемы шахтного отлива, занимающие большие пространства. Наиболее распространенными макрофитами здесь являются тростник обыкновенный, камыш озерный, рогоз узколистный, широколистный и Лаксмана, а также некоторые другие растения. Сформировавшиеся в прудах-накопителях растительные сообщества снижают содержание взвешенных частиц на 90 %, а количество солей — на 25–30 %.

Отмеченные выше растения нашли применение не только в Донбассе, но и в других местах. Специальные ботанические площадки для очистки шахтных вод с помощью растений созданы в Подмосковном угольном бассейне (Новомосковск). А в г. Волжском Волгоградской области стали пропускать по специальным каналам, засаженным водными макрофитами, стоки химических предприятий.

Эксперименты подобного рода проводятся и в других странах. Выше мы отмечали сильную загрязненность вод Рейна. Когда рейнскую воду пропустили через 800-метровый канал, засаженный камышом, то на выходе был получен чистый поток.

Следует заметить, что воду очищают не только те растения, которые непосредственно произрастают в воде. Оказалось, что лес надежно предохраняет воду наземных источников от загрязнения вредными веществами. Мутность водного потока после прохождения через лесную полосу шириной 30 м уменьшилась в 100–150 раз. С уничтожением леса на водосборах и в прибрежной зоне загрязненность воды в реке увеличивается в 8—10 раз.

С развитием промышленности, ростом городов и повышением уровня их благоустройства объем сточных вод и, следовательно, осадка, получаемого при их очистке, с каждым годом возрастает. В связи с этим возникла проблема утилизации этого продукта цивилизации. Ведь скопление большого количества осадков затрудняет работу очистных сооружений и создает угрозу вторичного загрязнения окружающей среды. Ученые пришли к заключению, что получаемый при очистке стоков осадок целесообразно использовать в качестве удобрений сельскохозяйственных культур, так как он содержит в своем составе значительное количество органических веществ и питательных элементов (Покровская, Гладкова, 1977). Особенно эффективно его использование на бедных почвах, а также на участках, нарушенных добычей полезных ископаемых. Таким образом, растения и в этом отношении играют важную роль.

Органические вещества

Загрязнение водоемов органическими веществами представляет собой крайне неприятное явление, поскольку ведет к истощению запасов водного кислорода, расходующегося на окисление органики. Благодаря фотосинтезу населяющих водоемы растений в водную среду поступает свободный кислород, ускоряющий процессы окисления органических веществ. Но дело не только в этом. Обитатели водоемов обладают способностью непосредственно поглощать органические вещества и разрушать их. В качестве примера рассмотрим превращение ими фенола, одного из наиболее часто встречающихся и опасных загрязнителей водоемов.

Уже давно известно, что некоторые микроорганизмы, например бактерии из рода Pseudomonas, осуществляют окисление фенолов. Это обстоятельство широко используется для очистки от фенольных загрязнений промышленных и бытовых стоков самого разнообразного происхождения. Фенол активно поглощается из воды водными растениями. Если воду с растворенным в ней фенолом пропустить через «сито» из тростника, то содержание фенола в ней значительно уменьшится. За 8 дней тростник удаляет из каждого литра воды 10 мг фенола. Камыш также обладает способностью очищать воду от этого загрязнителя. 300 г биомассы камыша освобождают от фенола 5 л раствора концентрации 10 мг/л за 4 дня, 40 мг/л — за 12 дней, 100 мг/л — за 29 дней. В настоящее время сооружаются водоемы, в которых будут высажены тростник и камыш для очистки воды от фенола.

Фенол не только поглощается из воды растениями, но и подвергается детоксикации. Некоторая часть этого соединения, не включенная растениями в обмен веществ, выделяется в атмосферу через устьица.

Помимо фенола водные растения поглощают и обезвреживают и другие органические вещества, присутствующие в воде: индол, ксилол, пирокатехин, резорцин, пиридин. Особо следует остановиться на роли растений в освобождении водной среды от нефти и нефтепродуктов.

Наличие на поверхности воды пленки нефти резко снижает способность водоемов к самоочищению, поскольку эта пленка препятствует поступлению в воду атмосферного кислорода. В этом случае в водоеме создаются анаэробные условия, которые иногда способствуют еще большему повышению содержания в воде вредных веществ.

Разрушение нефти в водоеме происходит в результате самоочищения воды с помощью микроорганизмов. Там, где вода загрязнена нефтью, всегда обнаруживаются микроорганизмы, окисляющие керосин, соляровое масло, парафин и нафталин. Исследования, проведенные Арктической экспедицией МГУ в 1974 г., показали наличие нефтеокисляющей микрофлоры во всех пробах воды, взятых на трассе Северного морского пути. Количество нефтеокисляющих бактерий в поверхностном слое морской воды довольно велико и составляет 1500–7000 клеток в 1 мл. С увеличением глубины содержание микроорганизмов падало. Исследователи выделили большое количество чистых культур нефтеокисляющих микроорганизмов. Они хорошо росли на средах, содержащих в качестве единственного органического вещества дизельное топливо или сырую нефть. Микроорганизмы, окисляющие нефть, выделены также из воды и грунтов Каспийского моря, из вод р. Енисея.

Высшие растения также принимают участие в очищении водоемов от нефти. Установлено, что при концентрации нефти 1 г/л пленка на поверхности воды исчезала в присутствии высших растений через 5—10 дней, тогда как без них — через 28–32 дня. Наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению тростник, рогоз узколистный и камыш озерный. Причем прирост растений в высоту в присутствии нефти был на 10–15 см больше, чем в варианте без нефти (Кроткевич, 1982).

Тростник обыкновенный хорошо поглощает из воды ДДТ. Правда, при концентрации 2 мг/л этот пестицид подавляет процесс фотосинтеза на 30–36 %. Еще более сильное ингибирующее влияние оказывает на процесс фотосинтеза тростника гексахлоран. Он ослаблял интенсивность этого процесса на 47 %.

В США проведены эксперименты по очистке водоемов от гербицидов. Для этой цели использовались водяной гиацинт, уруть, рдест, а также зеленые водоросли.

Попадание пестицидов в водоемы происходит, в частности, в результате смыва их с полей осадками. Оказалось, что лесные насаждения, расположенные по берегам водоемов, интенсивно поглощают из поверхностных стоков эти вещества. Наилучшими показателями в этом отношении характеризуются сосновый и кленово-липовый лес.

Пятидесятиметровая полоса такого леса значительно снижает содержание в поверхностных стоках гексахлорциклогексана и хлорофоса.

Канцерогены

Одним из элементов естественной деградации канцерогенных полициклических ароматических углеводородов является их превращение с помощью живых организмов. В частности, в их разрушении участвуют микроорганизмы почвы и водоемов. Интенсивность и характер разложения бенз(а)пирена зависит от вида используемых для этой цели бактерий, а также от степени загрязненности почвы и воды данным канцерогеном.

Аналогичные превращения происходят с этим соединением в сточных водах нефтеперерабатывающих заводов, тепловых электростанций и в бытовых стоках. В этих условиях действуют те же культуры бактерий. Процесс может быть интенсифицирован при использовании культур, обладающих наибольшей активностью при очищении от канцерогенов почвы.

Удобрения

Одним из загрязнителей водоемов, как мы уже отмечали, являются удобрения. Крупные макрофиты (тростник, рогоз, камыш, аир, ежеголовник и др.) способны извлекать из воды в больших количествах биогенные элементы — азот, фосфор, калий, кальций, серу, железо и тем самым предупреждать и снижать степень евтрофикации водоемов. Например, густые заросли тростника, по данным П. Г. Кроткевича (1982), могут аккумулировать в урожае биомассы на 1 га до 6 т различных минеральных веществ, в том числе калия — 859, азота — 167, фосфора — 122, натрия — 451, серы — 277 и кремния — 3672 кг. К концу вегетации азот, фосфор, калий и другие элементы частично мигрируют из надземных в подземные органы растений, где они аккумулируются. Накопление биогенных элементов в подземных корневищах имеет важное значение в очищении воды от этих загрязнителей.

Тростник обыкновенный, рогоз узколистный и широколистный интенсивно поглощают как нитратный, так и аммонийный азот. Таким образом, заросли тростника и других макрофитов обладают способностью к деминерализации воды, что имеет очень важное значение для человека.

Огромное количество питательных веществ содержат стоки животноводческих помещений. В 1975 г. стоки от всех крупных животноводческих ферм страны содержали 2,2 млн т азота, 1 млн т фосфора, 2 млн т калия.

Ученые Кишиневского университета пришли к заключению, что многие водные растения способны обеззараживать стоки животноводческих ферм. Предварительно разбавив чистой водой пруды, они поселили в них ряску и роголистник. Эти растения активно поглощали из воды соединения азота и фосфора, являющиеся основными загрязнителями стоков животноводческих помещений. Очищенная таким образом вода используется затем для орошения полей.

В опытах П. Г. Кроткевича (1982) показано, что в 1 л исходной сточной жидкости животноводческого комплекса крупного рогатого скота содержится 1634 мг различных минеральных солей, а в односуточном фильтрате из сосуда с растениями ириса ложноаирового — 766 мг/л, т. е. растения изъяли 54 % солей. В сосуде с растениями рогоза узколистного из такого же раствора было поглощено 37 % солей. Растения интенсивно усваивали хлориды, сульфаты. В процессе удаления избытка азота и фосфора важная роль принадлежит фитопланктону. Однако усиленное размножение водорослей, сопровождаемое их отмиранием, может привести к вторичному загрязнению водоемов. В связи с этим следует обратить внимание на роль высших растений в очистке водоемов от солей. Сусак, например, способен накапливать 7,52 мг фосфора на 1 кг сухой массы. К тому же массовое развитие в водоемах высших растений снижает «цветение» водоемов или вообще его предотвращает. Эти растения очень удобны для очистки водоемов еще и по той причине, что их легко собирать и удалять.

Следует, однако, иметь в виду, что несмотря на перетекание к осени элементов минерального питания в корневища, значительная их доля остается в надземной части. Если растения оставить в водоеме, то содержащиеся в надземной части вещества в результате микробного разложения тканей и выщелачивания вновь окажутся в водоеме, произойдет его вторичное загрязнение. В связи с этим ученые рекомендуют всю надземную массу высших водных растений удалять до начала оттока питательных веществ в подземные органы.

Важное значение в очистке поверхностных стоков от удобрений имеет лесная растительность. После пропускания воды, обогащенной азотсодержащими соединениями, через пятиметровую площадку в березовом насаждении количество аммонийного азота уменьшилось в среднем на 0,9 мг/л, а нитратного азота — на 0,4 мг/л. После же пропускания такой воды по десятиметровой площадке содержание этих компонентов уменьшилось еще более сильно. Пятиметровая площадка соснового насаждения сокращает содержание аммонийного азота на 2,7 мг/л, а нитратного несколько больше. Лесная растительность вызывает также значительное уменьшение содержания в воде фосфатов.

Тяжелые металлы

Как уже отмечалось, большую опасность для живых организмов представляет накопление в окружающей среде тяжелых металлов. Оказалось, что некоторые микроорганизмы могут обезвреживать эти вещества. Так, например, со сточными водами предприятий химической, металлургической, электрохимической, кожевенной, текстильной и других отраслей промышленности в водоемы могут поступать соли хромовых кислот — хроматы и бихроматы. Они губительно воздействуют на все живые организмы, в том числе и на бактерий. Существующие способы обеззараживания сточных вод от хрома: химический, электрокоагуляционный, ионообменный основаны на переводе хрома из шестивалентного в трехвалентное состояние, в результате чего получается нерастворимая, выпадающая в осадок гидроокись хрома. Эти способы требуют дорогостоящего оборудования, больших капитальных затрат и сложны в эксплуатации.

После длительных поисков ученым удалось найти такие микроорганизмы, которые обладают способностью к жизнедеятельности в растворах, содержащих высокие концентрации хрома, причем они не только сохраняют жизнеспособность, но и способны переводить хром из шестивалентного в трехвалентное состояние. Бактерии, названные в честь их первооткрывателя В. И. Романенко «дехроматиканс Романенко», переводят хром в трехвалентное состояние, вызывают выпадение его в осадок в виде гидроокиси. Так происходит освобождение сточных вод от ионов хрома.

Указанные бактерии были использованы для очистки промышленных вод гальванического цеха запорожского завода «Коммунар». В 1 л этих вод содержится 80 мг шестивалентного хрома. Проходя через активированный ил, населенный бактериями, этот раствор всего за полчаса полностью очищается от хрома. За 1 ч установка, действующая на заводе «Коммунар», обеспечивает очистку 50 м3 воды, содержащей хром. Капитальные затраты на внедрение биохимической очистки сточных вод в 3–5 раз меньше, чем при использовании химического метода, а эксплуатационные расходы — в 7 раз. Новый метод очистки сточных вод от хрома вызвал большой интерес у специалистов.

В связи с токсичностью мышьяка ученые исследовали его метаболизм в ряде растительных организмов. Оказалось, что морские водоросли обладают способностью детоксицировать арсенаты путем образования органических производных о-фосфатидилтриметиларсониумлактата.

Очень успешно извлекает из воды тяжелые металлы мох тортула пустынная (Torlula desertorum), широко распространенный в Таджикистане.

Избавиться от тяжелых металлов, содержащихся в воде, помогают и цветковые растения. Так, например, упоминавшийся выше водный гиацинт очень энергично поглощает из воды ионы свинца, кадмия, никеля, серебра, ртути и других металлов. Пропитанные этими веществами растения эйхорнии предполагается даже использовать для получения ценных металлов.

Установлено, что камыш, водяной орех, рдест красный активно извлекают из воды марганец, а ряска — медь и бор. Содержание марганца в различных видах макрофитов составляет в среднем 485 мг/кг воздушно-сухой массы. В отдельных видах растений наблюдается отклонение от этого среднего значения в пределах от 66 до 2900 мг (Кроткевич, 1982). Полностью погруженные в воду растения содержат в 2–3 раза больше марганца, чем полуводные и надводные.

Особой устойчивостью к солям тяжелых металлов обладает тростник обыкновенный. В условиях аквариума он способен выносить без существенного для себя вреда растворы медного купороса, азотнокислой ртути, азотнокислого хрома и сернокислого цинка в концентрации от 100 до 300 мг/л. Растение успешно противостоит солям свинца. Оно росло при концентрации азотнокислого свинца, равной 2 г/л. Тростник обладает способностью извлекать из воды и накапливать в своих тканях более 20 химических элементов.

* * *

Приведенные выше материалы свидетельствуют о важной роли растений в очистке воды от вредных примесей. В настоящее время стоит вопрос о селекции специфических форм растений — деструкторов различных видов загрязнителей водоемов. Микроорганизмы и высшие растения поддерживают гомеостаз многих факторов в биосфере, что обеспечивает ее нормальное функционирование в современных условиях.