Влияние загрязненных почв на рост и развитие растений

Выделяют следующие факторы угнетения растений в результате засоления почвенного покрова:

1. Затруднено водоснабжение растения в целом, что в свою очередь приводит к отрицательным изменениям в работе механизмов осморегуляции.

2. Дисбаланс минерального состава среды, в результате которогопроисходят нарушения минерального питания растений.

3. Стресс на сильное засоление.

4. Токсикация.

Засоление приводит к созданию в почвенном покрове низкого водного потенциала, следовательно, затрудняется поступление воды в растительный организм. Существенной стороной негативного воздействия солей является нарушение обменных процессов. В работах физиолога Б. П. Строганова описано, что под воздействием солей в растительных организмах нарушается азотный обмен, который приводит к усиленному распаду белков, следовательно, происходит накопление промежуточных продуктов обмена веществ (аммиак и др.), токсически воздействующих на растение.

На фоне сульфатного засоления в растениях накапливаются продукты окисления серосодержащих аминокислот (сульфоксиды и сульфоны). Повышенная концентрация солей, особенно хлористых, может воздействовать как разобщитель процессов окисления и фосфорилирования и как следствие нарушать снабжение растительных организмов макроэргическими фосфорными соединениями. Под воздействием солей происходит нарушение ультраструктуры клеток (изменения в структуре хлоропластов) и набухание гранул у хлоропластов.

Наиболее устойчивыми к воздействию солей являются митохондрии. Однако солевой стресс может способствовать их набуханию, что сопровождается разобщением окислительного фосфорилирования и нарушением проницаемости мембран.

Нарушение сопряженности окисления с фосфорилированием, в свою очередь, лишает растительный организм механизма аккумулирования энергии. При этом опасным для растительной клетки является то, что активность переноса энергии меняет свое направление и из поставщика АТФ превращается в его потребителя. Таким образом, в растительном организме наступает «энергетический голод». Особенно это проявляется при хлоридном засолении.

Показано неблагоприятное влияние ионов в повышенных концентрациях на число делящихся клеток в меристеме и их размеры, отмечено увеличение времени митотического цикла и метафазы.

Вредное влияние высокой концентрации солей связано с повреждением поверхностных слоев цитоплазмы, вследствие чего возрастает ее проницаемость, теряется способность к избирательному накоплению веществ. Соли поступают в клетки пассивно вместе с транспирационнным током воды. Поскольку в большинстве случаев засоленные почвы располагаются в районах, характеризующихся высокой летней температурой, интенсивность транспирации у растений очень высокая. В результате солей поступает много, и это усиливает повреждение растений.

Надо учесть также, что на засоленных почвах большая концентрация натрия препятствует накоплению других катионов, в том числе и таких необходимых для жизни растения, как калий и кальций.

Снижение продуктивности растений в условиях хлоридного засоления определяется угнетением их роста, который является интегральной характеристикой реакции растений на изменение окружающей среды. Степень угнетения растений и снижения биомассы находится в прямой коррелятивной зависимости oт концентрации соли в субстрате и продолжительности засоления. Однако прямая зависимость между накоплением ионов в растениях и уровнем их солеустойчивости до сих пор не выявлена.

Отрицательное действие высокой концентрации солей сказывается раньше всего на корневой системе растений. При этом в корнях страдают наружные клетки, непосредственно соприкасающиеся с раствором соли. Характерной особенностью корневых систем на почвогрунтах с глубинным засолением является их поверхностное распространение. Внезапное увеличение концентраций NaCI в среде приводит к скачкообразному увеличению ионной проницаемости корневой системы. Корни растений при избытке солей теряют тургор, отмирают и, ослизняясь, приобретают темную окраску. Исследования показали, что корни более чувствительны к засолению, чем надземные органы. Однако известны и факты положительного влияния засоления субстрата на накопление массы корней при замедленном росте побегов.

Повреждающее действие засоления усиливается при недостаточной обеспеченности растении основными элементами минерального, питания, что, по-видимому, обусловлено угнетением корней. В стебле наиболее подвержены действию солей клетки проводящей системы, по которым раствор солей поднимается к надземным органам. При натриево-хлоридном засолении побеги короткие, быстро заканчивают свой рост.

Листья также в значительной мере чувствительны к засолению. Общейреакцией для многих сельскохозяйственных культур является отмирание нижних листьев (особенно у кукурузы), подсыхание кончиков листьев. Для томата характерно изменение окраски листьев от темно-зеленой к светло-зеленой с желтым оттенком – явный признак солевого повреждения.

Важное значение для жизнедеятельности растений в условиях засоления имеет изменение водно-осмотического режима, особенно степень осморегуляции растений. У растений, выращиваемых на засоленном субстрате, во всех органах увеличивается осмотический потенциал клеточного сока, а осмотический градиент между листьями и корнями по мере увеличения засоления возрастает. В основном это обусловлено накоплением в клетках повышенных количеств осмотически активных гидрофильных ионов солей. Многие авторы придерживаются мнения, что повышение осмотического потенциала клеточного сока растений является защитно-приспособительной реакцией в условиях засоления.

С увеличением концентрации соли наблюдается тенденция к снижению суккулентности растений, что свидетельствует о подавлении способности к
осморегуляции. То есть с увеличением концентрации хлорида натрия растения теряют способность сохранять оводненность органов и это отрицательно сказывается на их солеустойчивости. Но в то же время разные виды растений обладают различной способностью регулировать содержание воды в своих тканях.

Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений – токсикантов пагубно влияют на жизнедеятельность почвенных организмов. При этом теряется способность почвы к самоочищению от болезнетворных и других нежелательных микроорганизмов, что чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира.

В мире ежегодно производится более миллиона тонн пестицидов. Пестициды вызывают глубокие изменения всей экосистемы, действуя на все живые организмы.

Действие гербицидов на основной метаболизм выражается в нарушении процессов образования органических соединений в ходе фотосинтеза, процессов генерирования высокоэнергетических химических связей при дыхании и окислительном фосфорилировании, в ингибировании синтеза основных клеточных полимеров (белки, нуклеиновые кислоты, крахмал, клетчатка). В результате действия гербицидов на промежуточный метаболизм нарушаются процессы распада и образования низкомолекулярных органических соединений, необходимых для нового синтеза. Воздействие на вторичный метаболизм проявляется в нарушении синтеза разных специфических компонентов растительных клеток типа алкалоидов, пектина, кумаринов, антоциана, фитогормонов, танинов.

Растительный покров оказывается чувствительным в территориях его применения и достаточно удаленныхместах.

Почвенный покров загрязняется минеральными удобрениями, в случае их чрезмерного применения.

Избыток кальция приводит к нарушению усвоения азота, калия, бора и железа. Это проявляется мезжилковым хлорозом листьев и появлением светлых бесформенных пятен и отмирающих тканей листа.

Избыточное содержание фосфора в почвенном покрове встречается крайне редко. При этом в растительном организме нарушается усвоение железа и цинка, ято проявляется появлением мезжилкового хлороза на листьях.

При избыточном содержании азота в почвенном покрове листья растений становятся темно-зелеными, крупными и сочными, однако цветение задерживается. У суккулентных растений, избыток азота вызывает истончение кожицы, которая лопается, приводя растение к гибели или оставляя уродливые шрамы.

При избытке серы листья постепенно желтеют с краев и скукоживаются, подворачиваясь внутрь. Затем буреют и отмирают. Иногда листья принимают не желтый, а сиреневато-бурый оттенок.

При избытке калия также можно отметить замедление роста. Листья при этом приобретают более темный оттенок, а новые листья мельчают. Избыток калия приводит к затрудненному усвоению кальция, магния, цинка, бора и др.

Большой вред для нормального функционирования почв представляют газодымовые выбросы промышленных предприятий.

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах.

Механизмы устойчивости растений к избытку тяжелых металлов могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации тяжелых металлов, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество тяжелых металлов, следующий – стебли и листья, и, наконец, последний – органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции (чаще всего семена и плоды, а также корне- и клубнеплоды и др.)

Содержание кадмия в почве на уровне 5 мг/кг наполовину снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, в период его полувыведения из почвы один из самых больших (около 1100 лет).

Кобальт в растениях накапливается в генеративных органах, в пыльце и клубеньках бобовых культур, положительно действует на размножение клубеньковых бактерий, способствует накоплению витамина B₁₂ y бобовых культур, лука и репы. Под действием кобальта улучшается диетическая ценность продукции в результате увеличения его содержания в растениях, возрастает содержание сахара в корнеплодах сахарной свеклы, увеличивается количество крахмала в клубнях картофеля, а также содержание аскорбиновой кислоты и белка в зерне кукурузы.

Содержание кобальта в растительных тканях в пределах 15 – 50 мг/кгявляется избыточным или токсичным для растений.

Среднее содержание никеля в растениях составляет 5 – 10 % на сырое вещество, в организме животных –1 – 10 %, в почвах – 4 – 10%.

Никель необходим растениям в незначительных количествах. В водных культурах никель токсичен для растений (кукуруза, бобы) в дозе 2 мг/л. Более токсичен никель для растений в кислой среде, на кислых почвах. Токсичность никеля проявляется при содержании его в растениях на уровне 50 мг/кг.

Никель способен изменять активность окислительно-восстановительных процессов, влияет на поглощающую способность корней. При повышенном содержании никеля в почве происходит угнетение роста растений, снижается содержание хлорофилла в листьях.

Среднее содержание марганца в растениях равно 10 %. Марганец принимает участие в процессах фотосинтеза дыхания растений. Содержание марганца в почвах колеблется в пределах 0,01 – 0,4%.

Марганец оказывает воздействие на рост и развитие растений, на их химический состав. Недостаток марганца в почве задерживает рост и развитие растительных организмов. При избытке марганца растение испытывает нехватку в железе.

Свинец включается в разные клеточные ферменты, и в результате эти ферменты уже не могут выполнять определенные функции. В настоящее время в роли токсикантов природной среды выступаюталкильные соединения свинца.

Под влиянием меди усиливается прочность хлорофилл-белкового комплекса, снижается степень разрушения хлорофилла в темноте. Медь оказывает положительное влияние на процесс зеленения у всех растений. При дефиците меди задерживается рост растений, появляется хлороз и увядание растений, задерживается цветение, падает продуктивность, происходит побеление кончиков листьев и не развивается колос у зерновых культур.

Молибден является микроэлементом с широким спектром биологического действия. Малые количества его оказывают положительное влияние на организм, а большие вызывают молибденовый токсикоз. Источники загрязнения окружающей среды молибденом: дымовые выбросы промышленных предприятий, минеральные удобрения, известко­вые материалы, сточные воды.