Нередко можно наблюдать, как люди, прогуливаясь по лесу и замечая необычные, порой неприглядные растения, густо покрывающие стволы и ветви деревьев, называют их мхами. И наоборот, мхи путают с лишайниками. Мхи и лишайники — две абсолютно не связанные между собой группы криптогамов (иными словами, тайнобрачных растений, т. е. не имеющих цветения). Однако эти группы имеют немало общего. И те и другие не имеют корневой системы, а значит, их питание зависит от атмосферных осадков. И лишайники, и мхи растут очень медленно и живут весьма продолжительное время. Так, лишайники могут жить десятки и даже сотни лет. Обе группы растут практически во всех уголках земного шара, способны выдерживать экстремальные природные условия: ещё со школьной скамьи многие помнят, что лишайники называют «пионерами растительности». Видов мхов и лишайников существует довольно много. Эпифитные лишайники (произрастающие на деревьях) и сфагновые мхи (растущие на болотах) наиболее часто вызывают интерес у исследователей. Обе группы заслуживают особого внимания, остановимся более подробно на каждой из них.
Сфагновые мхи растут на верховых болотах, которые наиболее распространены в северном полушарии нашей планеты. Например, в центральной части Западно-Сибирской равнины, где осадков выпадает в среднем более 500 мм в год, формируется зона с избыточным увлажнением. Незначительная степень испарения и затрудненный сток создают крайне благоприятные условия для развития болотообразовательных процессов [3]. Формирующееся болото представляет собой природное образование, занимающее часть земной поверхности и представляющее собой отложения торфа, насыщенные водой и покрытые специфической растительностью [5]. Торф образующаяся в результате отмирания и неполного распада болотных растений в условиях повышенного увлажнения при недостатке кислорода [6].
Болота и заболоченные почвы образуются за счет заболачивания суши или зарастания водоемов. Верховые болота развиваются на более приподнятых элементах рельефа (на водоразделах, террасах рек). Здесь заболачивание суши происходит вследствие почвообразовательных процессов, застаивания поверхностных вод, их высокого стояния или выклинивания [4]. При начавшемся процессе болотообразования растительные ассоциации, менее приспособленные к условиям недостатка минерального питания и избытку влаги, сменяются более приспособленными, например, сфагновыми мхами. Накопление органического вещества отмерших растений в полуразложившемся и неразложившемся виде увеличивает влагоемкость, замедляет поверхностный сток, уменьшает водопроницаемость, что способствует застаиванию воды, ухудшению аэрации, развитию последующего заболачивания. Далее развитие болота происходит по схеме: травяное болото — зеленомоховое болото — сфагновое болото [4].
К мхам относятся низкие (высотой до 10–20 см) растения, состоящие из одного или нескольких стебельков со спирально расположенными на них листьями. Корней мхи не имеют: у некоторых из них корни заменяются волосковидными многоклеточными образованиями, так называемыми ризоидами. На болотах встречаются мхи двух порядков: зеленые (бурые) и сфагновые (белые торфяные) мхи. В порядок зеленых мхов входит несколько семейств, название одного из них часто относят ко всему семейству зеленых мхов, называя их гипновыми мхами. Все сфагновые мхи принадлежат к одному семейству, объединяющему один только род Sphagnum (Рис. 1).
Рис. 1. Общий вид мха Sphagnum
Моховые подушки (кочки) на болотах состоят из сфагнового мха, который постоянно нарастает вверх, а в нижних частях отмирает, накапливая слой торфа. В отличие от многих других мхов, у сфагнума нет корней, поэтому растет он очень плотно и одно растение поддерживает другое. Отмершая часть мха не перегнивает, во-первых, из-за недостатка кислорода, а во-вторых, сам мох выделяет вещества, препятствующие гниению и обладающие бактерицидными свойствами.
Там, где поселяются сфагновые мхи, создается особый водный режим постоянного высокого увлажнения. Вода, удерживаемая сфагнами, почти неподвижна, в ней мало кислорода. В сухом состоянии сфагновые мхи могут впитать воды примерно в 20 раз больше собственной массы. Благодаря этому мох и получил свое название — «сфагнос», что в переводе с греческого означает «губка». Возможность впитывать такое количество влаги обусловлено клеточным строением сфагнового мха. Если рассмотреть сфагнум под микроскопом, то помимо обычных зеленых клеток, которые содержат хлорофилл, можно увидеть специальные воздухоносные клетки (Рис. 2). Эти клетки мертвые, и их оболочки довольно плотные, и именно они способны удерживать огромное количество влаги.
Рис. 2. Структура сфагнового мха под микроскопом
Особенностью этих клеток является также то, что они могут удерживать химические элементы, поступающие в верховое болото из атмосферы. Так как верховые болота лишены минерального питания от грунтовых вод, то химический состав мхов, торфа и болотных вод определяется преимущественно атмосферными осадками. Соответственно, сфагновые мхи абсорбируют выпавшие из атмосферы аэрозоли и частицы пыли, и за весь период роста накапливают их в себе. Например, верховое болото, расположенное в окрестностях города с разнообразными видами промышленности, может «много рассказать» о качестве воздуха, которым дышат его жители. В этом отношении, сфагновые мхи выступают в качестве «контролера» чистоты атмосферного воздуха.
На территории России наибольшей заболоченностью отличается Томская область, где расположен самый большой в мире болотный массив — Большое Васюганское болото. Сфагновые мхи верхового болота в окрестностях городов Томска и Северска в Томской области накапливают в себе бόльшие, по сравнению с болотами фоновых районов (где отсутствуют источники загрязнения), концентрации редкоземельных и радиоактивных элементов (Ba, Sr, Rb, Co, лантаноиды, U, Th). А источниками повышенных концентраций этих химических элементов являются в основном крупные предприятия, такие как Сибирский Химический Комбинат и тепловые электростанции, использующие для сжигания уголь.
Верховое болото, ежегодно накапливающее в себе выпавшие из атмосферы загрязняющие вещества, хорошо отражает временные интервалы загрязнения окружающей среды химическими элементами, что хорошо заметно, при сравнении его с фоновыми не загрязненными районами [13]. К тому же, ученые из Томского политехнического университета с кафедры геоэкологии и геохимии, долгое время изучающие химический состав компонентов природной среды (почвы, снег, донные отложения озер, лишайники) в Томской области, также отмечают загрязнение окружающей среды г. Томска и его окрестностей схожим спектром химических элементов [9].
Особенно много верховых болот в районах добычи углеводородного сырья в Томской области. Так как при добыче нефти и газа окружающая среда загрязняется в основном углеводородами, то содержания большинства химических элементов во мхах здесь ниже, чем в окрестностях г. Томска (Рис. 3). Но такие химические элементы, как натрий, бром и сурьма в болоте, расположенном в районе влияния нефтедобывающего комплекса Томской области, наоборот выше, что в целом характерно для нефтедобывающего и нефтеперерабатывающего производств [10,12].
Рис. 3. Содержание химических элементов в сфагновых мхах болот, расположенных вблизи г. Томска (1) и в районе добычи нефти Томской области (2)
Отмершие сфагновые мхи, образуя торфяные залежи, сохраняют в себе химические элементы, поступившие в них «при жизни». Особая среда торфяных болот препятствует миграции химических элементов и, таким образом, верховое болото сохраняет в себе информацию о поступлении химических элементов из атмосферы. На территории Западной Сибири известно верховое болото с глубиной торфяной залежи 11 м возрастом около 10 000 лет! Таким образом, верховое болото на протяжении веков и тысячелетий может хронологически «записывать» информацию о химическом составе атмосферного воздуха.
Лишайники представляют собой организмы, тело (таллом) которых состоит из двух компонентов — водоросли и гриба, находящихся в симбиозе. В настоящее время насчитывается свыше 25 000 видов лишайников и практически ежегодно учёные-лихенологи (от английского «lichen» — лишайник) открывают новый вид. Основными формами роста являются кустистые, листоватые (Рис. 4) и накипные лишайники.
Рис. 4. Листоватые и кустистые формы лишайников (фото Ю. Носкова)
Лишайники произрастают на высших растениях (эпифиты), почве (эпигеиды) горных породах (эпилиты). Лишайники служат важным звеном пищевой цепи, что особенно актуально для районов Крайнего Севера. Эти растения являются кормом не только для домашних северных оленей, но и для диких животных — лося, марала, косули, кабарги. Алтайские охотники называют эпифитный лишайник вида Usnea «маральим сеном» [7].
Лишайники являются медленнорастущими организмами. Замедленный рост лишайников, особенно накипных форм, обуславливает продолжительность их жизни. К примеру, возраст отдельных слоевищ лишайника Risocarpongeographicum достигает 4000 лет, а в среднем возраст большинства кустистых и листоватых форм не превышает 50–100 лет [7]. Благодаря высокой продолжительности жизни и постоянного прироста, учёные успешно применяют лишайники для определения возраста субстратов, на которых они произрастают. Этот метод, называемый лихенометрией, используют для установления возраста ледниковых морен, археологических находок.
Распространение и обилие лишайниковой флоры с середины 19 в. используются для индикации загрязнения атмосферного воздуха (лихеноиндикация). В настоящее время установлено, что индекс, основанный на количестве видов лишайников и их встречаемости, на площадке-сетке, весьма надёжен и для многих городов были созданы детальные карты качества воздуха [1]. Для наблюдения за состоянием воздуха предпочтительней использовать эпифитные лишайники, т. е. произрастающие на стволах и ветвях деревьев, поскольку они являются наиболее чувствительными к изменению содержания в воздухе химических веществ.
Загрязнители проникают в слоевища лишайников из атмосферы вместе с осадками и пылью, более того, осадки насыщаются загрязняющими веществами, проходя через кроны деревьев и стекая по стволам и ветвям. Установлено также, что лишайники накапливают тяжелые металлы, содержащиеся в атмосферных осадках, в 2–5 раз больше, чем высшие растения, причем лишайники-эпифиты интенсивнее, чем напочвенные лишайники [8]. Эпифитные лишайники можно использовать как биоиндикаторы, и как аккумулятивные биомониторы стойких атмосферных поллютантов (накопители). Для получения достоверных результатов и составления надёжных прогнозов рекомендуется сочетать индикационные, аккумулятивные исследования с помощью лишайников в сочетании с традиционным инструментальным мониторингом. Таким образом, лишайники также являются мониторами, или «контролерами» загрязнения атмосферы.
В Томской области выбор эпифитных лишайников для исследований состояния атмосферного воздуха был продиктован тем обстоятельством, что 91 % территории региона занимает площадь лесного фонда [11], что, соответственно, характеризуется широким распространением лихенофлоры.
По результатам исследования химического состава лишайников, произрастающих в окрестностях городов Томска и Северска, было выявлено, что эпифиты накапливают в себе бόльшие, по сравнению с таковыми из фоновых территорий и районов добычи нефти и газа Томской области, концентрации кальция, стронция, сурьмы, редкоземельных и радиоактивных элементов. Происходит это за счёт влияния выбросов от источников загрязнения воздуха Сибирского Химического комбината, нефтехимического производства, тепловых электростанций, работающих на угле.
В районах нефтедобывающего комплекса, в процессе основных и подготовительных работ при нефтедобыче происходит загрязнение приземного слоя атмосферы углеводородами, оксидами азота и углерода, сажей, бензапиреном, тяжёлыми металлами. Небольшой перечень загрязнителей регулярно контролируется измерительными приборами, однако значительно более широкий спектр загрязняющих веществ, возможно определить, анализируя слоевища лишайников. Так, удалось установить, что по сравнению с лишайниками окрестностей Томска, лишайники из районов нефтедобычи накапливают повышенные концентрации хрома, цинка, мышьяка, брома, рубидия, бария и золота, что согласуется с данными, полученными при исследованиях иных компонентов биосферы данного региона [10, 12] (Рис. 5).
Рис. 5. Содержание химических элементов в эпифитных лишайниках (мг/кг), произрастающих в районе добычи нефти Томской области (1) и вблизи г. Томска (2)
Трудно умалить роль обоих рассмотренных групп: мхов и лишайников, в оценке качества атмосферного воздуха. При исследовании загрязнения воздуха одинаково хорошо использовать и те и другие. Уровни накопления химических элементов в лишайниках и мхах находятся примерно в одном диапазоне. Однако, по содержаниям загрязняющих веществ лишайники отличаются от мхов повышенным концентрированием скандия, брома, церия, самария, европия, тербия, лантана, иттербия, лютеция, тория и урана не более, чем в 2,3 раза. Мхи же лучше концентрируют рубидий, серебро, золото, барий и цезий (Рис. 6).
В заключение хочется сказать, что практически все растения чутко реагируют на изменение химического состава воздуха, а некоторые из них, например определённые роды лишайников, первыми исчезают из привычного местообитания (наверняка многим известно понятие «лишайниковые пустыни», наблюдающиеся в индустриальных зонах).
Считается, что в настоящее время на Земле еженедельно исчезает один вид растений. Можем ли мы, люди, изменить ситуацию, остановить гибель растений, которые являются частью экосистемы и играют свою роль не только в пределах экосистемы, но и служат контролерами воздуха, которым мы дышим?
Рис. 6. Содержание химических элементов во мхах и лишайниках, мг/кг
Литература:
1. Баргальи Р. Биогеохимия наземных растений. Пер. с англ. — И. Н. Михайловой (Институт экологии растений и животных, г. Екатеринбург). — М.: ГЕОС, 2005. — 457 с.
2. Березина Н. А. Прогулки на верховое болото // Вестник ТГПУ. — 2008. — Вып. 4 (78). — С. 87–89.
3. Болота Западной Сибири, их роль в биосфере / Под ред. А. А. Земцова. — 2-е изд. — Томск: ТГУ, СибНИИТ, 2000. — 72 с.
4. Владыченский С. А. Сельскохозяйственная мелиорация почв. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1964. — 416 с.
5. ГОСТ 19179–73. Гидрология суши. Термины и определения.
6. ГОСТ 21123–85. Торф. Термины и определения.
7. Жизнь растений (Водоросли. Лишайники) / Под ред. М. М. Голлербаха. — М.: Просвещение, 1977. -Т. 3.- 545 с.
8. Инсарова И. Д., Инсаров Г. Э. Сравнительные оценки чувствительности эпифитных лишайников различных видов к загрязнению воздуха // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Л.: Гидрометеоиздат. — 1989-. Т. 12. C. 113–175.
9. Рихванов Л. П., Язиков Е. Г., Сухих Ю. И., Барановская Н. В., Волков В. Т., Волкова Н. Н., Архангельский В. В., Архангельская Т. А., Денисова О. А., Шатилов А. Ю., Янкович Е. П. Эколого-геохимические особенности природных сред Томского района и заболеваемость населения. — Томск, 2006. — 216 с.
10. Шатилов А. Ю. Вещественный состав и геохимическая характеристика атмосферных выпадений на территории Обского бассейна: диссер. … канд. геол.-мин. наук. — Томск, 2001. — 205 с.
11. Экологический мониторинг: Доклад о состоянии окружающей среды Томской области в 2011 году / гл. ред. А. М. Адам, редкол.: В. А. Коняшкин, А. В. Дмитриев, Ю. В. Лунева. — Томск: Графика DTP, 2012. — 166 с.
12. Язиков Е. Г. Экогеохимия урбанизированных территорий юга Западной Сибири: автореферат диссер. … доктора геол.-мин. наук. — Томск, 2006. — 45 с.
13. Mezhibor A., Arbuzov S., Rikhvanov L., Gauthier-Lafaye F. History of the Pollution in Tomsk Region (Siberia, Russia) According to the Study of High-Moor Peat Formations // International Journal of Geosciences. — 2011. — V. 2. — № 4. — Р. 493–501.
