Влияние загрязнителей на растения

Наиболее серьезное  загрязнение среды связано с  работой заводов по обогащению и  переработке атомного сырья. Большая  часть радиоактивных примесей содержится в сточных водах. Которые собираются и хранятся в герметичных сосудах. Однако  часть  попадает в атмосферу из испарителей, используемых для уплотнения радиоактивных отходов. Тритий и часть продуктов распада (90Sr,  137Cs, 106 Ru,) сбрасываются в реки и моря, вместе с малоактивными

Таким образом, хранение отходов атомной энергетики представляется наиболее острой проблемой охраны среды от радиоактивного заражения.[2]

2. Дозовые нагрузки на растения

Из  литературы известно, что лесная растительность обладает большой поглотительной емкостью по отношению к радионуклидам, что связано с наличием значительно расчлененных поверхностей (листья, хвоя, мелкие ветки). Так, надземная часть сосново-березового леса задерживает более 40% различных радиоактивных осадков (стронций-90, цезий-137, церий-144), сосновый прирост — 90 %, густые еловые насаждения — почти 100 %. Большая поглотительная способность хвойных пород связана с тем, что поверхность многолетней неопадающей хвои круглогодично концентрирует радионуклиды.

Для оценки состояния многолетних растений и составления перспективных прогнозов при воздействии аварийного выброса необходимо исследовать пространственно-временное распределение   радионуклидов  на  загрязненной   территории, формирование дозовых нагрузок на многолетние растения и биологический эффект действия радиации на меристемы и формообразовательные ткани, который зависит не только от суммарной дозы, но и от времени воздействия, вида излучения, размеров облучаемой поверхности.

Вопросы радиочувствительности растений к  хроническому облучению, создаваемому в результате радиоактивного загрязнения почвы и накопления радиоизотопов тканями растений, изучены в меньшей степени, чем чувствительность растений к облучению от внешних источников. Особенности биологического действия радионуклидов связаны с неравномерным распределением дозовых нагрузок на отдельные части и органы растений, которые определяются процессами миграции, накопления и перераспределения излучателей в почве и в самом растении. С июня 1986 г. по настоящее время ведутся регулярные наблюдения за ростом и развитием многолетних древесных растений в 30-километровой зоне ЧАЭС и прилегающей к ней территории. В результате обследований установлены границы пораженных участков лесных массивов (район «рыжего леса»), а также измерены уровни радиации. Полученные данные свидетельствуют, что на площади до 500 га при поглощенной дозе свыше 150 Гр погибли многолетние насаждения сосны и ели. Деревья усыхали в течение трех лет. На площади около 400 га насаждения повреждены частично.

В результате гамма-дозиметрического анализа в районе наиболее сильного повреждения лесных массивов в 1986 г. выявлены значительные различия в характере распределения радионуклидов, их количестве и спектральном составе. Значительно отличался состав основных дозообразователей: иода-131, рутения-109, цезия-137, стронция-90, цезия-134.

На  отдельных участках территории, непосредственно  примыкающих к ЧАЭС с северо-запада зарегистрирована полная или частичная гибель не только молодых насаждений, но и деревьев хвойных (ель, сосна) и лиственных (береза) пород 15—30-летнего возраста. Эти данные свидетельствуют, что суммарная экспозиционная доза после аварии в этом районе превышала 150—200 Гр.

На расстоянии 2 км от ЧАЭС острое облучение вызвало  замедление, а затем и полное прекращение роста деревьев в результате гибели всех терминальных и части латеральных почек. Вследствие этого к концу года образовались укороченные побеги с густо расположенными листовыми подушечками и преждевременно опавшей хвоей.

Выброс  радионуклидов в период, когда  деревья находились в состоянии наибольшей радиочувствительности (закладывались апексы побегов следующего года, зачатки побегов, сформированных в 1985 г., проходили этап гистогенеза), привел к их кратковременному острому тотальному облучению, перешедшему затем в хроническое. В результате такого воздействия на участках, где расчетные значения доз составили за первый год 7,4 Гр, за второй — 2,54, за третий — 1,55 Гр, наблюдали формирование различного рода аномалий в формообразовательном процессе многолетних растений. Форма проявления аномалий зависела от дозовых нагрузок, которые определялись характером распределения радионуклидов по ассимиляционной поверхности вегетативных органов растений.

Анализ данных по вертикальному распределению радионуклидного загрязнения хвойных древостоев позволил выявить следующие закономерности: деревьями 20—25-летнэго возраста, произрастающими на территории, прилегающей к ЧАЭС, основная часть осадков, выпавших в виде крупных частиц, не удерживалась и оседала под пологом леса, из них 80% —в лесной подстилке. В надземной фитомассе древесного яруса содержалось около 20% радионуклидов. Значительно загрязнена поверхность коры, особенно той части, которая обращена к источнику выброса.

В северо-западном направлении на расстоянии более  двух километров от ЧАЭС картина вертикального распределения радионуклидов в древостоях была иной. Около 70 % радионуклидов в виде мелких аэрозолей удерживалось надземной фитомассой и только 30% оседало в лесной подстилке. Результаты радиоавтографических исследований хвои, листовых пластинок деревьев различных пород показали, что основная масса радионуклидов сконцентрирована у основания хвои и на поверхности листовых пластинок. Причем, у лиственных пород степень загрязнения листовых пластинок в значительной степени зависит от анатомо-морфологических особенностей (опушенности кутикулярного слоя, ребристости и т. д.).

Одновременно ученые Д.М.Гродзинский, К.Д.Коломнец (1995) исследовали действие пролонгированного облучения на рост и развитие древесных растений на участках, где радиационный уровень составлял 0,1—0,15 Р/сут. Весной  у частично поврежденных растений собирали терминальные и латеральные почки, которые фиксировали и заключали в парафин. Затем готовили продольные серийные срезы, окрашивали их и просматривали под микроскопом. В результате анатомо-гистохимических исследований обнаружено значительное количество аномалий в формировании меристем сосны и ели, отмечено много погибших терминальных почек. Следует отметить, что эти аномалии наблюдали у растений, произрастающих на полигонах со сравнительно низким уровнем загрязнения. С повышением экспозиционной дозы у сосны и ели выявлено увеличение количества поврежденных апикальных меристем.

На участках с высоким уровнем загрязнения  у растений обнаружены макро- и микроскопические изменения, проявившиеся в гибели верхушечных почек, что приводит к закладке многочисленных боковых почек с неупорядоченной ориентацией образованию укороченных побегов с мелкой или гигантской хвоей. Наблюдали появление характерной окраски листьев и побегов антоциановыми пигментами. Прирост хвойных пород имел ярко-зеленую окраску. Хвоя мясистая, значительно длиннее и толще, чем у обычных растений. Выявлена частая повторяемость мутовчатого роста хвои, не характерная в норме для этих видов. Отмечен гигантизм сосны, и искривление иголок хвои. У латеральных почек, расположенных ближе к верхушке дерева, сформировались тераты, отличающиеся укрупненными размерами хвои и стебельных побегов, а также нарушенной ориентацией. Количество почек на таких побегах превышало норму, катафиллы видоизменялись, погибшие терминальные почки замещались латеральными, из которых образовались тераты, названные «ведьмиными метлами».

В результате изучения почек под микроскопом  в период закладки новой генерации выявлены аномалии их формообразования. На побегах с ингибированным ростом и желтой укороченной хвоей развитие латеральных почек прекратилось, а организация терминального апекса нарушилась. Наблюдалась элиминация кроны центральных материнских клеток и переходной зоны, клетки периферической зоны формировали значительную часть почки, закладка кроющих чешуи модифицировалась. Верхушки побегов с укрупненными стеблями и хвоей не имели терминальной почки, которую замещали несколько латеральных.

При сканировании находящихся в состоянии  зимнего покоя зачатков побегов на их расширенном основании отмечено утолщение купола зачатка, а также существенное изменение апекальной части. На ее месте в зачатках образовывалось углубление, размеры которого варьировались. Поскольку у многолетних древесных растений апексы формируются в течение двух лет, данные о влиянии облучения могут служить основой для разработки метода ранней диагностики повреждающего влияния радиации на многолетние растения.

Исследование  закономерностей роста и развития растений на участках с различной степенью загрязнения позволили выявить значительные модификации в органогенезе.

Характерными  признаками являлось подавление роста побегов с желтой укороченной хвоей, латеральные почки не развивались, организация терминального апекса отличалась от нормы. Повсеместно наблюдалась элиминация зоны центральных материнских клеток (сердцевинной меристемы) и переходной зоны. Клетки периферической зоны формировали значительно расширенную боковую часть почки.

Анализ  полученных результатов показал, что  за вегетационный период максимальную дозовую нагрузку испытывали точки роста многолетних растений, расположенные в непосредственной близости от поверхности почвы. По мере удаления от поверхности интенсивность излучения снижалась.

Установлены также общие закономерности влияния  радиации на формообразовательный процесс ели. В результате радиоавтографического исследования почвенных разрезов выявлено, что в районе большого загрязнения по мере увеличения глубины активность цезия-137 значительно снижалась.

Основными индикаторами уровня радионуклидного загрязнения территории являются различные виды травянистых растений.

Вынос радионуклидов из почвы чаще всего изучают на культурных растениях. В то же время известно, что дикорастущие растения, особенно галофитизированные, способны накапливать значительные количества зольных элементов — до 20 %. В качестве объектов исследования накопления радионуклидов были отобраны следующие растения: лебеда Фомина, петросимония толстолистная, марь белая, подорожник большой и шалфей мускатный. Все растения выращивали на загрязненной радионуклидами почве. Коэффициенты накопления основных радионуклидов свидетельствуют, что растения характеризуются большой способностью к выносу этих радионуклидов, а также избирательностью по отношению к ним. Наибольшие коэффициенты накопления плутония-239 отмечены у подорожника и шалфея, стронция-90 — у ряда других видов. Эти виды могут служить объектами для радиоэкологического мониторинга.

Хорошо  известны также индикаторные свойства лишайников, слоевища которых являются хорошими аккумуляторами различных химических элементов — тяжелых металлов, серы, радионуклидов. Поэтому они часто используются при определении уровней загрязнения воздуха и субстрата.

Так как оба симбионта (водорослевой и грибной) участвуют в накоплении талломом радионуклидов, нарушение жизнедеятельности любого симбионта приводит к уменьшению сорбции нуклидов.

Коэффициенты  накопления у лугового разнотравья  имеют большое значение для прогноза и индикации поступления радионуклидов в речные системы. Нуклиды попадают в речные системы в результате непосредственных выпадений, а также смыва с поверхности почвы. Особенно сильный смыв ожидается в пойменных участках, заливаемых в половодье. Под влиянием сезонных изменений почвенного увлажнения наблюдается относительная подвижность радиоизотопов в системе почва - раствор. Для исследовали пойменные луга территорий, загрязненных радионуклидами. Это преимущественно разнотравно-злаковые луга в комплексе со злаково-бобово-разнотравными, иногда с осоково-разнотравно-крупнозлаковыми. В их состав входили лисохвост луговой, ежа сборная, мятлик луговой, клевер многолетний, горошек мышиный, подорожник ланцетовидный, хвощ полевой, осока лисья, тысячелистник обыкновенный. В образцах растений определяли концентрации радионуклидов методами гамма-спектрометрии и радиохимии. Результаты сопоставления полученных данных свидетельствуют, что количество долгоживущих радионуклидов (стронция-90 и плутония-239) на разных участках почвы относительно невелико.

Для прогнозирования  и радиоэкологического мониторинга важно определить характер радионуклидного загрязнения листового опада древесных многолетних растений.

Разложение  растительного материала (побеги, листья) происходит в несколько этапов. В каждом участвует специфическая микрофлора, которая обладает ферментами, действующими на стойкие растительные соединения. Как правило, на первом этапе грибы являются активными разрушителями, а затем сами становятся субстратом для развития других микроорганизмов

Суммарная концентрация радионуклидов в листьях  деревьев независимо от их видового состава колеблется от1,5- 10~⁷ до 3,7- 10~^б Ки/кг [12].

Таким образом, можно сделать вывод о том, что растения обладают большой поглотительной емкостью и чувствительностью к радиоактивным веществам. Биологический эффект действия радиации зависит не только от суммарной  дозы, но и от времени воздействия, вида излучения, размеров облучаемой поверхности. Особенности биологического действия радионуклеидов связано с неравномерным распределением дозовых нагрузок на отдельные части и органы растений, которые определяются процессами миграции, накопления и перераспределения излучателей в почве и в самом растении. Под действием радиации у растений появляются различные аномалии, задерживается рост и развитие органов и тканей. При более  высоких дозах облучения растения останавливаются в росте и погибают.

Обладая большой  способностью к накоплению и выносу радионуклеидов, а так же избирательностью по отношению к ним растения могут служить объектами для биологического мониторинга.