Введение к работе
Актуальность темы. Проблема техногенного загрязнения окружающей среды является исключительно актуальной для Сибири, где в последние десятилетия ускоренными темпами идет освоение топливно-энергетических ресурсов. Именно в Сибири сосредоточены огромные запасы каменных углей, имеющих значение для промышленного использования в обозримой перспективе с преимущественным развитием открытого способа. Подавляющую часть прироста открытой добычи намечается получать в Канско-Ачинском бассейне, на основе запасов углей которого Формируется крупнейший в стране технологический комплекс /КАТЭК/. Интенсивное развитие угледобывающих и энергетических мощностей, -но несовершенство технологии очистки отходов промышленного производства, вызывали загрязнение природной среды. В общем балансе загрязнителей возросло количество пыли, окислов серы, азота, щелочных, щелочноземельных, тяжелых металлов, а также органических соединений. Шзработка рациональной стратегии и тактики долгосрочного экологического прогнозирования, проведения определенных мероприятий по оздоровлению окружающей среды возможна с учетом совершенствования технологии производства. Вместе с тем, исключительно важное значение приобретает знание способности растений поглощать и нейтрализовать токсические вещества. Наиболее чувствительными к воздействию поллютантов являются хвойные леса, которые на территории КАТЭКа подвергаются значительному антропогенному давлению. Последнее особенна характерно для Назаровского района, где успешно развивается западный участок комплекса, и основной лесообразующей породой является сосна обыкновенная (Pinus sylveatris L.). Сосновые насаждения длительное время испытывают воздействие промышленных выбросов Назаровского-угольного разреза и одноименной ГРЭС. Углубленных исследований влияния выбросов промышленных объектов КАТЭКа на устойчивость сосны не проводилось. Анализ накопленного опыта работ с неорганическими загрязнителями свидетельствовал о том, что длительное воздействие техногенных эмиссий в невысоких концентрациях, что характерно именно для западного участка КАТЭКа, будет вызывать глубокие нарушения важнейших процессов обмена веществ /Фотосинтез, рост и др./. Повреждения на уровне метаболизма являются очень опасными, поскольку е таких условиях резко повышается вероятность накопления в растительных тканях цитотоксических соединений до /суб/летальных доз, снижается устойчивость и продук-
живность растений, что способствует нарушению экологического равновесия в лесных экосистемах. Интенсивное развитие западного, формирование восточного и других промышленных узлов, сопровождающиеся повышением степени загрязнения окружающей среды в регионе, обусловили актуальность и безотлагательную необходимость комплексных исследований влияния выбросов Назаровской ГРЭС на сосновые леса. На-ааровская ГРЭС, будучи первой ГРЭС КАТЭКа, является моделью строя-іДшдся и проектируемым промышленным объектам и потому может быть принята в качестве их аналогов. Собранная в Назаровском районе информация может быть использована при разработке прогнозов влияния будущих ГРЭС КАТЭКа или аналогичных по профилю промышленных предприятий в других регионах страны на окружающую среду, составления экологического паспорта биоценозов, создания национальных программ Оиологического мониторинга лесных экосистем в условиях техногенезе.
Цель и задачи исследований. Цель исследований - изучение механизмов воздействия поллютантов на растения и разработка научных основ биологического мониторинга сосновых лесов, произрастающих в условиях хронического техногенного загрязнения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:
-
Охарактеризовать лесоводственнс— таксационное состояние сосновых лесов в условиях техногенного загрязнения. Вкявить особенности эдафических условий.
-
Определить уровни аккумулирующей способности сосны обыкновенной в отношении действия основных компонентов выбросов /окислы серы, щелочных, щелочноземельных, тяжелых металлов/; установить пороговые концентрации загрязнителей. Изучить поглощение двуокиси серы органами ассимиляции, выявить летальные концентрации.
-
Изучить хроническое воздействие различных доз техногенных эмиссий на ключевые звенья обмена веществ /серный, азотный, фосфорний/. Выделить закономерности влияния поллютантов и определить критерии ранней диагностики повреждения.
-
Установить закономерности нейтрализации ингредиентов эмиссий в целом растении. Определить защитно-приспособительные реакции сосны, показать особенности их проявления в отношении различных поллютантов. Выявить значение веществ вторичного происхождения в развитии механизмов защиты.
-
Изучить влияния различных доз двуокиси сеш на световые и темновые процессы фотосинтеза сосны /фотохимическая активность, фо-
тофосфорилирование хлоропластов, активность карбоксилируших ферментов/; выделить альтернативные реакции, способствующие стабилизации обмена веществ в неблагоприятных условиях загрязнения.
6. Охарактеризовать барьерную роль кутикулы и эпикутикулярных восков хвои сосны. Определить анатомо-морфологические, ультраструктурные, спектральные и поляризационные эффекты воздействия поллю-тантов; выявить взаимосвязи между физиологе—биохимическими и биофизическими характеристиками повреждений. Разработать научные основы дистанционного зондирования состояния сосновых лесов, повреждаемых техногенными эмиссиями.
Защищаемые положения. I. Трансформации обмена веществ сосны обыкновенной раскрывают механизмы хронического влияния поллютантов и позволяют разработать научные основы дистанционного зондирования состояния сосновых лесов в условиях техногенного загрязнения.
2. Пороговые концентрации поллютантов в тканях и органах сосны позволяют разработать систему ранней диагностики устойчивости и выступить элементом оперативного мониторинга экологического состояния хвойных лесов в условиях техногенеза.
Научная' новизна работы. Впервые дана характеристика комплексного хронического воздействия различных доз техногенных эмиссий производственных объектов КАТЭКа на метаболизм сосны обыкновенной. Изучены поглотительная, аккумулирующая и нейтрализующая способности различных органов сосны /хвоя, побеги, ствол, корни/ по отношению к действию окислов серы, а также щелочных, щелочноземельных, тяжелых металлов. Выявлены закономерности формирования физиологически допустимых концентраций поллютантов в различных тканях и органах / хвоя, древесные ткани ствола, семена / с учетом их возрастной специфики; определены пороговые концентрации окислов серы, тяжелых металлов. Показаны механизмы воздействия, установлен характер нарушений и выявлены пути трансформаций обмена веществ сосны под влиянием поллютантов; доказаны взаимосвязи нарушений об! менов серы, азота, фоейора, углерода. Определены механизмы защиты метаболических центров растительного организма от неблагоприятного влияния избытка ионов серн, тяжелых металлов; доказана универсальность их проявления в отношении действия поллютантов различной химической природы. Показано занчение веществ вторичного происхожде-
ния /смолы, терпены/ в развитии защитных реакций. Выявлены взаимосвязи между структурно-Функциональными изменениями в ассимиляционных тканях и обменом веществ целого организма; определены критические концентрации поллютантов в тканях коры и условия, благоприятные для заселения ослабленных техногенными эмиссиями деревьев ство ЛОВЫМИ вредителями /Dendxoctonus micans Kugel; Ips subelongatus Motsch./. Установлена сопряженность физиологического состояния дерева и изменения оптических характеристик хвои; выявлены возможности дистанционной индикации экологического состояния сосновых лесов в условиях техногенного загрязнения.
Теоретическая значимость работы. Изучены закономерности адаптации гене за сосны обыкновенной в условиях комплексного хронического действия окислов серы, а также щелочных, щелочноземельных, тяжелых металлов, что является вкладом в развитие общей теории устой чивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды. Выяв лены физиолого-биохимические реакции, сопровождающие процесс поврв' ждения и связанные с изменением оптических характеристик хвои. Доказана сопряженность трансформаций обмена веществ с устойчивостью сосны в условиях техногенного загрязнения.
Практическая значимость.работы. Ва основании результатов исследования разработаны методические рекомендации по диагностике устойчивости сосны обыкновенной в условиях техногенного загрязнения /тесты: лесоводственный, физиологический/, определены пороговые концентрации окислов серы в различных тканях и органах сосны. Рекомендации использованы Кемеровским комитетом охраны природы при разработке экологического паспорта лесов, произрастающих в условиях различных по степени техногенного загрязнения районах Кузбасса, а также Кемеровской лабораторией экологии и рекультивации ЩМШГяС при оценке повреждаемости растений промышленными выбросами. Данные по влиянию поллютантов на анатомо-морфологическуга структуру ассимиляционных тканей и кутикулу хвои сосни обыкновенной вошли в состав курса лекций "Методы мониторинга экосистем" для студентов физического факультета Красноярского университета.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на Всесоюзной конференции по теоретическим проблемам интродукции растений /Москва, 1983/,. на Всесоюзном совещании "Актуальные задачи физиологии и биохимии растений в ботанических садах СССР" /Звенигород, 1984/, на Всесоюзной школе "Влияние промышленных предприятий'на окружающую среду" /Звенигород, 1984/, на Бсесоюзной конференции
'Актуальные вопросы интродукции растений в ботанических садах СССР" 'Белая Церковь, 1984/, на Всесоюзной конференции "Закономерности эоста и производительность древостоя" /Каунас, 1985/, на Всесоюз-jom симпозиуме "Стабильность и энергетическая эффективность высоко-гродуктивных лесных биогеоценозов" /Тарту, 1985/, на Всесоюзном зимпозиуме "Современные методы электронной микроскопии в биологии я медицине" /Звенигород, 1986/, на Всесоюзной конференции "Экологические и физиолого-биохимические аспекты антропотолерантности растений" /Таллин, 1986/, на Всесоюзной конференции "Охрана лесных экосистем и рациональное использование природных ресурсов" /Мытищи, 1987/, на международном симпозиуме по экофизиологии хвойных лесных пород /Таллин, 1988/, на Всесоюзной научной конференции "Растения и промышленная среда" /Днепропетровск, 1990/, на региональной конференции "Научно-практические проблемы промышленной ботаники в Казахстане" /Караганда, 1991/, на международном симпозиуме по экофизиологии хвойных лесных пород /Абакан, 1991/.
. Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 37 научных работах, из них I монография /в соавторстве/.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, общих выводов и Приложения; изложена на ооо страницах, включающих *>.и страницы основного машинописного текста, 77 таблиц и 103 рисунка; Приложение - 62 страницы, в том числе 6 таблиц и 7 рисунков. Список"использованной литературы содержит 926 работы, из которых 440 - иностранных.