Аккумуляция некоторыми сельскохозяйственными растениями техногенной пыли сажевых заводов Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 581.5:502.5

Е. С. ДЕНИСОВА

Омский государственный технический университет

АККУМУЛЯЦИЯ НЕКОТОРЫМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ РАСТЕНИЯМИ ТЕХНОГЕННОЙ ПЫЛИ САЖЕВЫХ ЗАВОДОВ_

В статье рассматривается способность сельскохозяйственных растений накапливать техническую сажу при произрастании на различном удалении от предприятия технического углерода, а также после искусственного нанесения. Изучено влияние сажи на водный режим растений. Данные исследования проводятся впервые.

Ключевые слова: газопоглотительная способность растений, загрязнение атмосферы, биоиндикация, сажа, технический углерод, водный дефицит растений.

Растения аккумулируют и детоксируют самые различные ингредиенты промышленных выбросов. В то же время размеры санитарно-защитных зон предприятий зачастую не соответствуют требованиям, а жилой сектор, дачные, сельскохозяйственные участки непосредственно прилегают к территории промзоны. Цементные, сажевые, асфальтовые заводы выбрасывают в атмосферу большое количество частиц готовой продукции — цемента, сажи, битума. Пылевидные частицы, содержащиеся в воздухе во взвешенном состоянии, оседают на надземных органах растений при соприкосновении с ними или под действием гравитационных сил. Способность разных видов растений задерживать пыль непосредственно связана с устройством листовых пластинок. В каждом конкретном случае в зависимости от определенного видового состава, структуры и территориального размещения растительное сообщество обладает различной способностью к биоаккумуляции.

В то же время сведений о последствиях накопления индустриальной пыли на поверхности растений очень мало. Кроме того, все они касаются кальцийсодержащей пыли, основными источниками которой являются цементные заводы. В связи с этим нами проведено сравнительное исследование различных видов сельскохозяйственных растений в фильтровании воздуха от пылевидных частиц сажевых заводов, а также влияния сажи на водный режим растений в условиях Омской области.

Материал и программа исследований. Объектами исследования являлись сельскохозяйственные растения: фасоль (Phaseolus vulgaris), ячмень (Hordeum vulgare) и мягкая яровая пшеница сорта Память Азиева.

Полевые исследования проводились в течение вегетационного периода в посадках растений, расположенных на различном удалении от предприятия технического углерода. Газодинамические зоны определены в соответствии с их токсической опасностью. Зоны сильной загазованности: № 1 — находится на территории источника загрязнения, № 2 — отстоит от источника на 1 км (санитарно-защитная зона). Зона № 3 (средней загазованности) распо-

ложена на расстоянии 6 км от источника эмиссии. Все зоны размещены по вектору господствующих ветров. Для контроля взяты растения, находящиеся вне зоны действия промышленных предприятий и произрастающие в районе населенного пункта Сыропятское, в 24 км к юго-востоку от черты города Омска.

В экспериментах с искусственным опудривани-ем листьев применялась сажа, выпускаемая ООО «Омсктехуглерод»; на 1 м2 листовой пластинки наносили 20, 40 и 60 г сажи. Через 24 и 72 часа определяли оставшуюся к моменту срезания сажу в процентах от нанесенной массы, активность ферментов каталазы, полифенолоксидазы и содержание пигментов.

В экспериментах с искусственным опудривани-ем листьев применялась сажа, выпускаемая «Омск-техуглерод»; на 1 м2 листовой пластинки наносили 5, 10, 20 г сажи, через 24 и 72 часа определяли оставшуюся к моменту срезания сажу в процентах от нанесенной массы.

Пылезадерживающую способность растений определяли по методу Н. А. Гусева (1960): смывали пыль с 5 листьев (трехкратная повторность) и взвешивали в чашках Петри после высушивания с пересчетом на 1 м2 поверхности листьев. Общую листовую поверхность определяли методом проектирования листьев на бумагу. Общая вода определялась высушиванием до постоянного веса при температуре 1050 С [1]. Водный дефицит определялся взвешиванием после насыщения листьев в течение определенного времени водой [1, 2]. Статистическая обработка полученных данных включала оценку среднеквадратичных отклонений параллельных отклонений.

Во всех газодинамических зонах были проведены анализы почв и атмосферного воздуха.

Результаты и их обсуждение. Исследования растительности проводились в районе предприятия ООО «Омсктехуглерод», находящегося на территории г. Омска в юго-восточном направлении от центра города. Предприятие занимается выпуском технического углерода (сажи) для шинной промышленности и в настоящее время является одним

из крупнеиших по мощности предприятием отрасли в России. Завод характеризуется высоким содержанием органических веществ и сажи в производственных выбросах. В то же время границы санитарно-защитнои зоны предприятия не отвечают государственным требованиям, и жилые массивы города прилегают практически непосредственно к заводу. Согласно санитарно-эпидемиологическим нормативам предприятия по производству сажи отнесены к первому классу опасности и для них размер санитарно-защитной зоны должен быть не менее 1000 м (СанПин 2.2.1/2.1.1.1200-03), что не соответствует омской действительности [3]. В литературных источниках [2, 4, 5] сажевые предприятия характеризуются как наиболее токсично действующие на растения, что проявляется в сокращении прироста растений, уменьшении размера листа, появлении летнего листопада и частичного усыхания под действием пылевидных частиц этих предприятий. Выброс от таких заводов за сутки составляет несколько сот килограммов частиц сажи размером 0,033 — 0,040 мм. При высоте вентиляционных труб 20 — 25 м содержание сажи в приземном слое воздуха с наветренной стороны от завода на расстоянии 0,2 км составляет 0,9—10,7 мг/м3; 0,5 км — 1,6 мг/м3; 1 км — 0,37—1,1 мг/м3; 2 км — 0,03-0,14 мг/м3; 3 км — 0,005-0,037 мг/м3; 4 км — 0,02 мг/м3 [2, 4, 5]. По данным ежедневных исследований санитарно-промышленной лаборатории при «Омсктехуглероде», в среднем концентрация сажи на расстоянии 1 км от предприятия с наветренной стороны составляет 0,014-0,028 мг/м3.

Пылевидные частицы оказывают на растения разнообразное влияние, в основном физическое и химическое. Химическое влияние обусловлено содержанием в пыли водорастворимых соединений, которые могут поступать в растение и оказывать влияние на обмен веществ. Пылевидные частицы сажевых предприятий не обладают высокой реакционной способностью и являются рН нейтральными. Таким образом, они оказывают главным образом физическое влияние. Физическое воздействие связано с образованием чехла, препятствующего нормальному тепло- и влагообмену листа с атмосферой и уменьшающего доступ к растению света, что вызывает повышение температуры запыленных листьев на 1 — 1,50 С. Чем плотнее слой пыли, тем выше температурный градиент листа, и, несмотря на повышение сопротивления газообмену, больший расход на транспирацию. Повышение транспира-ции запыленных растений вызывает усиленное расходование ими доступного запаса влаги из корне-обитаемого объема почвы и — при ограниченной водообеспеченности — более раннее установление для них водного дефицита [2, 4, 5].

Участки исследования характеризуются сходным агрохимическим и механическим составом. Почвы представлены черноземами, по механическому составу являющимися тяжелыми суглинками. По проведенным качественным реакциям на всех опытных участках в почвах содержится незначительное количество сульфатов (тысячные доли процента) и обнаружены лишь следы хлоридов. По оценке Д. С. Орлова и Л. А. Гришиной [2], их можно отнести к среднегумусным. Несколько выше гумуса содержится в почвах контрольной зоны. рН почв почти всех участков близка к нейтральной, но на территории завода и вблизи него обнаружили щелочную реакцию почв, что представляется закономерным в связи с антропогенным

воздействием. Верхний слой почв этих зон сильно загрязнен техническим углеродом. Как показали результаты анализов, щелочность почв связана с содержанием в них гидрокарбонат-ионов, а нормальных карбонатов, характерных для содовых солонцов, обнаружено очень мало. Общая щелочность на территории источника составляет 0,75 мг.экв/100 г почвы, на расстоянии 0,5 км от источника — 0,50 мг.экв/100 г почвы, в то время как карбонатная щелочность на территории предприятия всего 0,10 мг.экв/100 г почвы, на расстоянии же 0,5 км от источника вовсе не обнаружена. Обеспеченность почв всех исследуемых участков нитратным азотом, согласно шкале Г. П. Гамзикова [1, 2], средняя. Количество обменного кальция является высоким.

Наблюдения за растениями, произрастающими в зоне средней загазованности (6 км от источника эмиссии), не обнаружили никаких морфологических изменений в течение всего вегетационного периода. В зонах сильной загазованности, на территории источника и в удалении от него на 1 км, выявлено обилие черных тонкодисперсных налетов на поверхности листьев. Несмотря на то, что листья (особенно в зоне № 1) были густо покрыты сажей, заметных повреждений (некрозов, деформаций, ожогов) у них не было.

Проведенные исследования по изучению водного режима листьев показывают снижение общего содержания воды и повышение водного дефицита у всех растений с повышением загазованности местообитания. Наибольшее содержание воды в листьях растений наблюдалось в начале вегетационного периода. По мере старения листьев и усиления жесткости погодных условий (уменьшение влажности почвы, высокие температуры) оводненность тканей уменьшается. Снижение содержания воды на территории источника в сравнении с контрольной зоной для фасоли составило 20 — 40 % (ц = 0,70, р < 0,001), для пшеницы — 10 % (ц = 0,42, р < 0,05) и для ячменя 15 — 25 % (ц = 0,58, р < 0,01). Водный дефицит увеличился у фасоли на 10 — 20 %, пшеницы и ячменя — на 5—10 %.

Таким образом, под действием пылевидных частиц и токсических газов листовая пластинка в той или иной мере обезвоживается. Токсические вещества, поступающие в листья, вызывают, с одной стороны, торможение поглощения воды корнями, с другой — как следует из литературы [4, 5], — первоначальное снижение интенсивности транспира-ции сменяется усилением ее, что ведет к нарушению обводненности, иссушению клеток и тканей листа. Повышается кутикулярная (внеустьичная) транспирация. Водный дефицит, по-видимому, является следствием, с одной стороны, снижения скорости водопоглощения корнями, а с другой — потери способности участков или целого листа регулировать расход воды на транспирацию. Причиной временного усиления транспирации листа следует считать нарушение функциональной роли и структуры клеточных оболочек, проницаемости плазмолеммы и водоудерживающей способности протоплазмы. Нарушение структурных оболочек способствует нерегулируемому испарению воды из микрокапилляров и вместе с тем нарушает транспорт ее к другим клеткам. Слой пыли дополнительно создает изменение оптических свойств листа и повышение его температуры, что, соответственно, увеличивает скорость транспирации. Пылевидные частицы, содержащиеся в воздухе во взвешенном

№

4

Таблица 1

Седиментация техногенной сажи на растениях различных газодинамических зон (г/м2)

Вид Вариант Июнь Июль

Пшеница Контрольная зона 0,07 ± 0,01 0,05 ± 0,01

Зона 3 0,10 ± 0,02 0,08 ± 0,02

Зона 2 0,20 ± 0,04 0,26 ± 0,03

Зона 1 0,22 ± 0,05 0,33 ± 0,09

Фасоль Контрольная зона 0,94 ± 0,08 0,66 ± 0,06

Зона 3 0, 97 ± 0,05 0,80 ± 0,07

Зона 2 1,10 ± 0,05 1,00 ± 0,05

Зона 1 1,41 ± 0,11 1,15 ± 0,11

Ячмень Контрольная зона 0,06 ± 0,01 0,09 ± 0,02

Зона 3 0,07 ± 0,03 0,07 ± 0,04

Зона 2 0,14 ± 0,08 0,019 ± 0,05

Зона 1 0,20 ± 0,20 0,29 ± 0,03

Таблица 2

Седиментация сажи на растениях при искусственном опудривании (г/м2)

Вид Вариант Через 24 часа после нанесения Через 72 часа после нанесения

В % от нанесенной массы В % от нанесенной массы

Пшеница 0 г/м2 сажи 0,08 ± 0,02 0,10 ± 0,02

5 г/м2 сажи 0,30 ± 0,03 4,7 0,27 ± 0,03 3,4

10 г/м2 сажи 0,44 ± 0,04 3,6 0,39 ± 0,04 2,9

20 г/м2 сажи 0,79 ± 0,07 3,5 0,64 ± 0,06 2,7

Ячмень 0 г/м2 сажи 0,10 ± 0,02 0,12 ± 0,02

5 г/м2 сажи 0,26 ± 0,03 3,2 0,29 ± 0,03 3,4

10 г/м2 сажи 0,39 ± 0,04 2,9 0,30 ± 0,03 1,8

20 г/м2 сажи 0,48 ± 0,05 1,9 0,49 ± 0,05 1,9

Фасоль 0 г/м2 сажи 0,58 ± 0,05 1,00 ± 0,09

5 г/м2 сажи 1,12 ± 0,10 10,8 1,59 ± 0,11 15,8

10 г/м2 сажи 1,21 ± 0,10 6,3 2,35 ± 0,13 13,5

20 г/м2 сажи 2,30 ± 0,15 7,2 2,84 ± 0,15 9,2

состоянии, оседают под воздействием гравитационных и электрических сил или притяжения. Проведенные полевые (в различных газодинамических зонах) и лабораторные (с искусственным опудри-ванием листьев сажей) исследования показали высокую сажезадерживающую способность у фасоли, которая осадила на территории источника эмиссии в 4 раза больше пыли, чем пшеница и ячмень (табл. 1). Аналогичные результаты были получены и при искусственном нанесении технического углерода (табл. 2). Это связывается нами с особенностями строения листьев фасоли — большая площадь листа и горизонтальное расположение по сравнению с пшеницей и ячменем. Повышения количества пыли к концу вегетации, как у других авторов [4], отмечено не было, что связано с выпадением продолжительных осадков.

По тем же причинам нами получены относительно низкие значения массы осевшей на листьях пыли. Как выяснилось, погодные условия имеют большое значение. Оседающие на листьях пылевидные частицы опадают при колебании растений, сдуваются ветром, смываются осадками. В то же время визуальные наблюдения во время искусственного опудривания сажей показали довольно высокую ее прилипаемость. Через 24 часа

после нанесения сажи верхние части листьев становятся чище, а сажа концентрируется у основания, на трубочке и на язычке листа. Листья растений в эксперименте осаждали от 2 до 16 % наносимой на них сажи. Причем с увеличением массы наносимой сажи этот процент снижался. Фасоль здесь осадила в 2 раза больше сажи, чем пшеница и ячмень.

Таким образом, исследование показало, что сажа существенно влияет на водный режим растений, снижая содержание воды в листьях на 10 — 40 % и увеличивая водный дефицит на 5 — 20 %. Сельскохозяйственные растения способны в значительном количестве улавливать сажу. Можно отметить видовые различия растений по отношению к саже. Так, фасоль улавливает в 2 — 4 раза больше сажи, чем пшеница и ячмень и, соответственно, имеет более существенные сдвиги в водном режиме.

Библиографический список

1. Федорова, А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды [Текст] / А. И. Федорова, А. Н. Никольская. — М. : Наука, 2003. - 286 с.

2. Малахова, Е. С. Газоустойчивость и аккумуляционная способность растений в техногенной среде нефтехимических предприятий Западной Сибири (на примере ОАО «Техугле-

род») [Текст] : дис. ... канд. биол. наук : 03.00.16 : защищена 24.12.04 : утв. 6.05.05 / Е. С. Малахова. — Омск, 2004. — 172 с.

3. СанПин 2.2.1/2.1.1.1200-03. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов [Текст]: Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. — М., 2014. — 48 с.

4. Сергейчик, С. А. Растения и экология [Текст] / С. А. Сергейчик. — Минск : Ураджай, 1997. — 224 с.

5. Еремеева, В. Г. Газоустойчивость древесных растений Западной Сибири [Текст] / В. Г. Еремеева, Е. С. Денисова // Сибирский экологический журнал. — 2011. — № 2. — С. 263 — 271.

ДЕНИСОВА Елена Сергеевна, кандидат биологических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности» Омского государственного технического университета; доцент кафедры «Специальные эксплуатационные дисциплины» Омского института водного транспорта. Адрес для переписки: malachova_@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 25.06.2014 г. © Е. С. Денисова

№

УДК 581.5:502.5

Е. С. ДЕНИСОВА

Омский государственный технический университет

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИВЫ БЕЛОЙ В ОЗЕЛЕНЕНИИ

САНИТАРНО-ЗАЩИТНЫХ ЗОН ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

В статье рассматривается газоустойчивость и аккумуляционная способность ивы белой, произрастающей на различном удалении от предприятия технического углерода, а также после нанесения сажи и экспозиции предельными и ароматическими углеводородами, оксидами серы. Впервые изучена газопоглотительная способность ивы в условиях производства технического углерода, выявлено влияние сажи на растение в условиях Западной Сибири. Данные исследования можно применять при озеленении территорий и санитарно-за-щитных зон предприятий Западной Сибири.

Ключевые слова: газопоглотительная способность растений, газоустойчивость растений, ива белая, загрязнение атмосферы, биоиндикация.

Согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитар-но-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов» одним из предназначений территории санитарно-защит-ной зоны является организация дополнительных озелененных площадей, обеспечивающих экранирование, ассимиляцию и фильтрацию загрязнителей атмосферного воздуха [1]. Аккумулирующая способность растений напрямую зависит от их газоустойчивости, растения санитарно-защитных зон должны быть высокоустойчивыми и производительными. В различных почвенно-климатических условиях одни и те же виды растений поглощают различное количество загрязняющих веществ и обладают различной устойчивостью. Все это требует комплексных физиолого-биохимических исследований, направленных на выявление ассортимента растений эффективных для понижения уровня загрязнения атмосферы.

Исследования газоустойчивости и аккумуляционной способности растений проводились на различном расстоянии от ООО «Омсктехуглерод». Юго-восточный промышленный узел в зоне действия этого предприятия является наиболее неблагоприятным по качеству атмосферного воздуха в городе [1].

В данном исследовании изучалась способность ивы белой аккумулировать предельные углеводороды, фенол, бензол, толуол, оксиды серы и сажу

при произрастании на различном расстоянии от ООО «Омсктехуглерод» и после экспозиции в различных концентрациях. Газоустойчивость растения определялась по реакции пигментного комплекса, рН гомогената листьев, водного режима, активности окислительных ферментов на действие токсических веществ.

Впервые изучены резистентность и аккумуляционная способность ивы белой в условиях производства технического углерода, исследована фитоток-сичность сажи и определена способность ивы к ее аккумуляции. Впервые в условиях Западной Сибири проведена комплексная оценка газоустойчивости ивы в техногенной среде на основе ее физиоло-го-биохимических и морфологических показателей, с применением натурных и экспериментальных исследований проведена характеристика растения по его способности к поглощению углеводородов: метана, бензола, толуола и фенола.

Полученные результаты могут быть использованы как научная основа при зеленом строительстве городов Западной Сибири, при подборе видов растений для различного типа посадок, в том числе для создания насаждений с повышенной санитарно-гигиенической активностью в районах с высокой загазованностью и запыленностью атмосферного воздуха. Оценка растений по физиолого-биохимическим показателям может быть использована для определения уровня загрязнения атмосферного воздуха.