1. Джерела та характеристика забруднення грунту.

Характерною властивістю ґрунту є його родючість, здатність забезпечувати водою та елементами мінерального живлення. Природна родючість ґрунтів залежить від багатьох факторів, клімату, повітря, води, мікроорганізмів, рельєфу місцевості.

Джерелами надходження забруднювачів у ґрунт є підприємства металургійної, хімічної, машинобудівної промисловості, автотранспорт, сільське господарство. Так, металургійні підприємства викидають в повітря велику кількість оксидів металів (оксиди заліза, марганцю, міді, цинку, свинцю та ін.). Для підприємств хімічної промисловості характерні викиди твердих часток у вигляді солей (хлорид амонію, солі фтору та ін.). Частина з них утворюється безпосередньо у технологічних процесах, а частина – під час взаємодії газоподібних викидів у атмосфері. У сільськогосподарському виробництві забруднення ґрунту створюється через необґрунтоване застосування та недбале зберігання хімічних добрив, гербіцидів, інсектицидів, фунгіцидів та інших отруйних речовин. Наприклад, вивчення в умовах Донбасу вмісту Fe, Cu, Mn, Zn за генетичними горизонтами показало, що підвищена їх кількість спостерігається в гумусовому горизонті. Вміст валових і рухомих форм униз за профілями помітно зменшується. Спостереження показують, що міграції важких металів у ґрунті сприяє також забруднення ґрунтів кислими і лужними газами промислових викидів. Так, підкислення ґрунту сполуками сірки, хлору сприяють зниженню pH ґрунтової витяжки і збільшенню рухомості та доступності для рослин іонів важких металів, зокрема, кадмію, свинцю, хрому. Специфічною особливістю забруднення ґрунтів важкими металами є дуже низька швидкість самоочищення ґрунту.

Кислі гази та токсичний пил акумулюються ґрунтом, взаємодіють з гумусом, сприяють його мінералізації, зниженню родючості, порушенню біологічної і біохімічної структури ґрунту. За умов забруднення відбувається зміна фізичних і хімічних властивостей ґрунту. Кінцевим результатом цих процесів є виникнення ерозії ґрунту, загибель природної рослинності, які у підсумку приводять до утворення так званої “індустріальної пустелі”, безперспективної для відновлення фітоценозів, з різко погіршеним фітокліматом. За цих умов природна рослинність у фітоценозах замінюється рудеральною.

Вивчення впливу забруднення середовища важкими металами на розвиток рослин багатьма дослідниками дозволило встановити неоднозначну реакція рослин різних видів на надлишковий вміст важких металів. Так, врожай пшениці, бавовнику, картоплі і буряка на забрудненому ґрунті знизився, а біомаса люцерни збільшилася. Важкі метали викликають руйнування пігментного комплексу, значне зниження кількості води в листі. Ванадій у хвойних і листяних порід викликає окисне руйнування клітинних мембран, збільшення нагромадження шкідливих газів, утрату води, зміни місту пігментів пригнічення фотосинтезу, що веде до посилення утворення некрозів і зниженню стійкості рослин.

Токсичність важких металів (міді, свинцю, ртуті) для вівса залежить від їхньої концентрації, накопичення в різних компартментах клітин і органах рослин. Метали незалежно від дози, сприяли індукції пероксидази, причому в коренях активність ферменту зростала в середньому в 1,5-2,5 рази; у листах помірні дози міді пригнічували, а високі дози свинцю підсилювали активність пероксидази. Свинець викликав зменшення сирої та сухої біомаси органів цілої рослини. Концентрація свинцю в коренях більше, ніж його вміст у наземних органах. За надлишку свинцю в середовищі корені накопичували понад 99% свинцю, охороняючи наземну частину від його дії.

Встановлено, що мідь і цинк у більшому ступені, чим барій, знижують фотосинтетичну і дихальну функцію рослин.

Проведені дослідження з вивчення стійкості деревних рослин до дії ртуті показали, що ця стійкість визначається не величиною нагромадження елемента, а характером метаболічних процесів, що дає підставу констатувати можливість використання інтенсивності окислювання ліпідів як показник стійкості рослин.

Дослідниками вичався не тільки вплив деяких важких металів (стронцій, кобальт, хром) на розвиток рослин, але і нагромадження цих елементів в органах рослин, вирощених на середовищах з різними концентраціями солей цих металів. Було встановлено, що збільшення концентрації важких металів у середовищі приводить до збільшення їхнього вмісту в тканинах рослин. Ця залежність носить нелінійний характер: за високих концентрацій металів їхнє нагромадження підсилюється, причому хром переважно накопичується в коренях, а стронцій – у наземній частині.

У детоксикації іонів важких металів, які надходять у рослинний організм, важливу роль грають білкові сполуки. Аналіз отриманих даних показує, що в надземних частинах рослин під впливом токсичних концентрацій шестивалентного хрому може спостерігатися як збільшення загального білка, так і його зменшення. У коренях же зміст білка зростає у всіх досліджуваних рослин, а це – місце основної локалізації металу. Збільшення сумарного білка в умовах інтоксикації шестивалентного хрому носить захисний характер.

Отже, підвищений вміст у ґрунті важких металів на ділянках, що знаходяться в зоні дії промислових викидів в атмосферу, служить причиною їхнього нагромадження в підвищених концентраціях у тканинах різних органів рослини, і у відповідь на це в організмі рослини відбуваються різні фізіологічні перетворення, що іноді носять і захисний характер.

Суттєву частку забруднення ґрунту на промислових підприємствах хімічних галузей мають сполуки сірки, хлору та фтору. Дія цих сполук, крім фтору, практично ідентична впливу засолення ґрунту відповідними аніонами. Так, сірка являє собою необхідний елемент живлення рослин. Вона входить до складу багатьох біологічно активних сполук: метіоніну, цистеїну, глютаніну, коензиму А, тіаміну й ін. Рослина поглинає сірку у вигляді сульфату-коренями, у вигляді двоокису сірки – листям. Накопичується в рослині сірка у вигляді сульфату, тому що він через більшу рухливість у рослині більш ефективний як поживна речовина, чим двоокис сірки. Нагромадження сульфатів можна розглядати як захисну реакцію, що дозволяє рослині за несприятливих умов середовища підтримувати концентрацію проміжних окислених сполук сірки, які гальмують процеси клітинного ділення. Дослідним шляхом було встановлено, що у рослин в умовах сульфатного засолення середовища різко підвищується окислення SH-амінокислот до неорганічного сульфату. Стійкість рослин до ряду несприятливих факторів зовнішнього середовища, у тому числі і до сполук сірки, тісно пов’язана з процесами клітинного метаболізму сірки і, насамперед, з відновлювальною асиміляцією сульфату, що закінчується утворенням двох протеїногенних амінокислот: метіоніну і цистеїну. За надлишку в середовищі сульфату в рослинній клітині збільшується концентрація багатьох низькомолекулярних S-з’єднань, у тому числі амінокислот. Серед різних побічних продуктів метаболізму сірки деякі можуть виявитися токсичними для рослин – сульфоксиди. За цих умов активація окисної деградації, що закінчується новоутворенням сульфату, – головний шлях для контролю над внутрішньоклітинними концентраціями S-метаболітів і для детоксикації деяких сполук. Вміст органічних сполук сірки в листі різних рослин-досить постійна величина. Сухий залишок голок хвойних рослин містить звичайно близько 0,1% сірки, широколистяних рослин – 0,15-0,3%. За відносно постійного вмісту органічної сірки кількість сульфатів у листах різних рослин може варіювати в широких межах. Деревні рослини виявляють виборчу здатність до акумулювання сірчистих сполук. У перерахунку на SO₂ найбільш високою здатністю до акумулювання, (до 33 г/кг абсолютно сухої речовини) характеризуються тамариск гіллястий, тополя канадська, ясен зелений , тополя Болле, липа дрібнолиста, біла акація, дуб звичайний. Найбільш низька здатність (близько 4 г/кг) характерна для листя в’яза пір’ястого-гіллястого, черемшини пізньої, шовковиці білої, клена сріблястого. За умов задимлення сірчистими сполуками в рослин, що виростають на ґрунтах, удобрених сульфатами, може створюватися надлишок останніх, який гальмує ріст рослин та збільшує можливість їхнього пошкодження.

Відповідно до сучасних уявлень, фтор, присутній у формі фторидів, на противагу сірці і хлорові не є необхідним для розвитку рослин елементом. Однак, як виявлено під час роботи з культурами на гідропоніці, фториди можуть викликати стимулюючий ефект. Як і у випадку двох інших, фториди можуть поглинатися з ґрунту і повітря, причому найвищий вміст їх відзначений у листі. Природний вміст фторидів у рослинах, які ростуть у вільних від промисловості районах, невеликий і складає звичайно менше 20 ч. на млн. сухої речовини. Виключення складають деякі види чаю (Theaceae), у яких вміст фторидів коливається в межах від 57 до 355 ч. на млн. сухої речовини, причому старе листя містить найбільшу кількість. Кількість фторидів у рослинах камелії, удобреної суперфосфатом, коливається від 12,1 до 1370 ч. на млн. сухої речовини. За винятком таких «рослин-нагромаджувачів», вміст фторидів у ґрунті мало або зовсім не відбивається на нагромадженні фторидів у рослинах. Після поглинання фторидів з живильного середовища вміст його завжди вище у коренях, ніж у надземних частинах рослин. Ці взаємозв'язки носять зворотний характер після перебування рослин в атмосфері, яка містить HF.

У деяких рослин, таких, як Dichapetalum spp. у Південній Африці і Acacia georginae Gidyea, в Австралії (Peters, Schorthouse, 1964; Peters et al., 1965), відбувається утворення фтороцтоврї кислоти (FCH₂COOH), що може приводити до загибелі пасовищних тварин. Відносно неотруйна фтооцтова кислота під дією ферментів організму тварини перетворюється у фторцитрат, який пригнічує реакції окислення лимонної кислоти в циклі Кребса.

Оскільки фториди не беруть участь в обміні речовин більшості рослин, то не відбувається і їх детоксикації в рослинній клітині. Показано, що фториди завжди присутні у іонній формі. Іншою причиною великої токсичності фторидів може бути велике їхнє нагромадження в хлоропластах. Підвищення токсичності фторидів залежить від вторинної транслокації в межах листка.

Небезпека для рослинності майже винятково зв'язана з прямим впливом газоподібних сполук фтору на надземні частини рослин. Непрямі ефекти, викликувані нагромадженням фторидів у ґрунтах, відзначені лише поблизу потужних джерел викиду. Тільки невелика частина фторидів ґрунту доступна для рослин. Цим пояснюються і низькі природні концентрації фторидів у рослинах, хоча їхній вміст у земній корі складає 0,07%, тобто фтор так само розповсюджений, як фосфор і сірка. Подібно цинкові та свинцеві, великі кількості фторидів у ґрунтах можуть чинити довгострокові впливи на рослинність, що перевершують ушкодження від атмосферного фториду. За допомогою лізіметрії показано, що фториди на противагу сірці та особливо хлоридам досить слабко вимиваються з ґрунтів.

Іншою відмінністю в наслідках дії фторидів від дії сірки і, хлоридів є нагромадження фторидів у кормових рослинах, що може викликати захворювання тварин, яке супроводжується утрудненням жування, відсутністю апетиту, кульгавістю, втратою ваги, зниженням плідності.

Подібно сірці і фторидам, хлор у формі хлоридів може поглинатися коренями і листям рослин. За загальними висновками дослідників, поглинання хлоридів прямо пропорційно їхньому вмістові в живильному субстраті. Краще поглинання іонів хлору порівняно з іншими аніонами може бути пояснено розташуванням Cl^- у ліотропному рядові після NO₃^- і перед SO₄^2- і РО₄^3-. Іони хлору з їх малим об’ємом і великою швидкістю поглинання пригнічують поглинання інших аніонів. У сполученні з іонами хлору катіони поглинаються краще, ніж, наприклад, будучи зв'язаними з іонами сульфату. Взаємовідносини між неорганічними катіонами та аніонами в рослині сильно зрушується убік останніх під впливом хлоридів.

Концентрація хлоридів у рослинах визначається насамперед надходженням іонів хлору. У середньому присутність хлоридів забезпечує близько 20% загального осмотичного тиску в культурних, бур'янистих і інших вільно зростаючих рослин за природних варіацій від 0,5 до 60% залежно від місць мешкання. У галофітів ця величина за середнього вмісту хлоридів складає 65%, а в екстремальних випадках досягає 95%.

Фізіологічна роль хлоридів в організмі пов'язана з участю у різноманітних реакціях обміну речовин. Гідрофільні іони хлору на відміну від іонів сульфату стимулюють усмоктувальну здатність колоїдної протоплазми; цим обумовлюється підвищення стійкості до вілту, викликуване хлоридами. Збільшення врожаю хлорофілоносних рослин може відбуватися за рахунок заміщення нітратних іонів хлорид-іонами в хімічних реакціях, які відбуваються в колоїдному середовищі.

Крім впливу на стан протоплазми, іони хлору впливають на активність ферментів. Показано, наприклад, зниження активності гідролаз у рослин, які одержували різні хлоридвміські добрива. Таке зниження активності ферментів у сполученні із сильною гідратацією іонів хлору може привести до порушення вуглеводного балансу і синтезу білків, що несприятливо позначається на врожаї і якості рослин. Великий надлишок хлоридів може викликати руйнування хлорофілу шляхом фотоокислення та появу некрозів. Не настільки значний надлишок хлоридів супроводжуються зменшенням кількості хлорофілу, що виражається в появі хлорозу. Надлишок хлоридів також може безпосередньо гальмувати фотосинтез. Разом з тим, дані про стимулюючі ефекти не дозволяють стверджувати наявність функціонального зв'язку між вмістом хлоридів і фотосинтезом. В експериментах Арнона показана активація хлоридами транспорту електронів між цитохромами під час фотофосфорилування.

Як відомо, хлориди прискорюють ріст різних рослин, особливо сімейства Chenopodiaceae. Цей, так само як і інші ефекти хлоридів, є, однак, зовсім неспецифічними. Результати деяких досліджень дозволяють вважати хлориди живильними речовинами рослин відповідно до визначення, що запропонованого Кіком. Потреби в хлоридах, незважаючи на їхню участь у різноманітних важливих реакціях обміну речовин, знаходяться в межах потреб у мікроелементах і цілком задовольняються за рахунок природного вмісту хлоридів у повітрі та опадах. Випадків дефіциту хлоридів на відміну від дефіциту сірки ніколи не відзначали. Практичне значення має тільки надлишок хлоридів, що виражається у вже згаданій появі хлорозу, некрозів і пригніченні росту, а також у сукулентності і ксероморфізмі. У цьому випадку, мабуть, не має значення, чи надходять хлориди як живильний субстрат через корені або ж з повітря через листя.

У ґрунті хлориди знаходяться майже винятково в розчиненому стані і тому легко вимиваються. Лізіметричні дослідження показали сталість вмісту хлоридів у ґрунтах Європи. Надходження і потреба в хлоридах збалансовані завдяки поглинанню їх рослинами з ґрунту та повітря, а також у зв'язку з процесами вимивання і заміни під час внесення добрив та випадання опадів. Непряме ушкодження рослин через ґрунт під час нагромадження хлору з забрудненого повітря малоймовірно. Зміни структури ґрунту та зсув pH, наприклад, за утворення легкорозчинних сполук кальцію можуть, імовірно, відбуватися тільки поблизу потужних джерел викиду.