Растения-фильтры и грибы-аккумуляторы. Секреты фитоочистки

Мария Титова, кандидат биологических наук. Фото dreamstime.com

Загрязнение окружающей среды оказывает губительное влияние на растительные организмы. Однако многие представители флоры сумели приспособиться к новым условиям обитания. Более того, они научились очищать воздух, почву и воду от вредных химических элементов.

Вредные вещества, поллютанты – пестициды, гербициды, органические растворители, тяжелые металлы, радионуклиды – чаще всего попадают в растительные организмы через корневую систему или листья (через устьица или кутикулу эпидермиса). Соединения, поглощенные корнями, переносятся в надземные части растений или откладываются в запасающих органах.

Разрушающее воздействие

Все загрязняющие вещества могут необратимо влиять на растительные организмы, вызывая как морфологические, так и физиолого-биохимические изменения. Эти воздействия, как правило, носят неспецифичный характер. К примеру, тяжелые металлы и радионуклиды, попадая в растительные клетки, могут взаимодействовать с различными белками, что приводит к изменениям клеточного метаболизма – нарушаются процессы фотосинтеза, дыхания, меняются функции клеточных мембран и т. д.

На морфологическом уровне могут происходить изменения размеров, формы, окраски листьев и цветков, их увядания или опадения. Нередко усыхает крона деревьев, нарушается целостность коры, деформируется корневая система, срастаются некоторые органы. У хвойных деревьев отмечают изменения в размерах хвоинок. При сильных атмосферных загрязнениях у различных древесных и кустарниковых наблюдают нарушение интенсивности ветвления.

Атмосферные поллютанты также могут воздействовать на пыльцу растений, изменяя поверхность и форму пыльцевых зерен, нарушая целостность оболочек и вызывая их слипание.

В целом характер воздействия загрязняющих веществ зависит от их количества в окружающей среде, от их химического строения, а также от генетических и видовых особенностей самих растений, которые различаются по устойчивости к токсическому воздействию повышенных концентраций загрязняющих веществ.

Адаптация и фиторемедиация

Благодаря механизмам адаптации, действующим на разных организменных уровнях, в фитоценозах постепенно отбираются популяции, способные развиваться и расти без серьезных нарушений физиологических процессов при довольно высоких концентрациях загрязняющих веществ в среде.

Так, к примеру, постоянное накопление тяжелых металлов у одних видов сначала вызывает стимуляцию роста, а затем угнетение и гибель. У других же по мере увеличения содержания вредных веществ включается механизм, препятствующий их поглощению. Такое ограниченное поглощение наиболее характерно для опадающих частей (например, листьев) и репродуктивных органов (цветков) растений, неограниченное – для корней, древесины, стеблей.

Способность растительных организмов поглощать, аккумулировать и трансформировать поллютанты используют для фиторемедиации (от греческого phyton – «растение» и латинского remedium – «восстанавливать») – очистки окружающей среды (воды, почвы, атмосферы) при помощи растений.

Растения-фильтры

Травянистые растения применяют для фитостабилизации загрязнений – уменьшения их мобильности в почве за счет адсорбции или осаждения на корнях в виде нерастворимых соединений (фосфатов, карбонатов, гидроксидов и т. д.). При этом обычно выбирают виды, устойчивые к загрязнениям, способные образовывать плотный травянистый покров, связывать поллютанты в процессе интенсивного корневого обмена.

Бобовые растения совместно с микроорганизмами-симбионтами из прикорневой зоны также могут участвовать в биодеградации – разложении различных органических поллютантов.

Улучшить почвы с повышенным содержанием свинца помогают бобовые

Некоторые растения – осоковые, различные виды фасоли, пшеницы, риса – способны к фитотрансформации пестицидов, растворителей, топливных остатков, преобразуя (метаболизируя) их при помощи собственных внутриклеточных ферментных систем.

Крестоцветные используют для фитоэкстракции – извлечения загрязнений из почвы. Они являются аккумуляторами тяжелых металлов и радионуклидов, которые поступают в растения через корневую систему и откладываются в надземных органах (стеблях и листьях). Растительную биомассу затем можно собрать и переработать. Наиболее широко фитоэкстракцию используют для удаления из почвы свинца, цинка, кадмия, никеля.

Достаточно активно способны аккумулировать тяжелые металлы также и некоторые виды папоротников, которые являются типичными представителями лесных экосистем.

Страусник обыкновенный способен поглощать из почвы ионы кадмия

Древесные биофильтры

Деревья и кустарники часто используют как эффективные и естественные биофильтры в городах и сельской местности:

• они обладают высокой продуктивностью;
• способны поглощать загрязняющие вещества из нескольких почвенных горизонтов, благодаря большой поверхности и объему корневой системы;
• могут адсорбировать пылевые и аэрозольные частицы на высоте до 30 м;
• достаточно быстро адаптируются к смене окружающей среды.

Так, к примеру, для создания фитозаградительных барьеров вдоль автомагистралей, улиц с активным движением транспорта для защиты воздушной и водной сред часто высаживают различные виды тополя, клена, каштана, липы. Осину, различные виды берез, сосну используют при проведении комплексных работ по фитомелиорации – очистке почвы от нефти и нефтепродуктов.

Береза способствует очистке почв от нефти и нефтепродуктов

При проведении мероприятий по очистке территорий, загрязненных радионуклидами, высаживают манчьжурский орех и амурский бархат, которые считаются гораздо более устойчивыми к радиационному воздействию, чем хвойные деревья и многие лиственные породы. Эти виды отличаются способностью к быстрому вегетативному восстановлению (корневой и пневой порослью) после облучения, а также обладают сильно развитой листовой и корневой поверхностью, что позволяет им удерживать пылевые частицы и капли воды с радионуклидами и локализовать их в ветках, коре, древесине, плодах.

Клен очищает воду и воздух возле автомагистралей

Большинство деревьев могут вступать в симбиотические взаимоотношения с грибами с формированием микоризы. Микориза улучшает почвенную структуру, связывает ионы тяжелых металлов, защищает растения от токсичных органических соединений, помогая им лучше адаптироваться и выживать в условиях повышенного загрязнения окружающей среды. Благоприятный эффект от такого «сотрудничества» наблюдали, к примеру, для ели обыкновенной, различных видов клена, растущих на урбанизированных территориях в «сожительстве» с грибным мицелием.