15N передвигается в надземные органы растений: в стебель, побеги и листья.
Восстановленный листьями и корнями азот включается затем в аминокислоты. У яблони при этом метка фиксируется в α-аланине, глутаминовой кислоте, тирозине, валине, в листьях шелковицы — в α-аланине, тирозине, фенилаланине и лейцине, у лоха узколистного — в глутаминовой и аспарагиновой кислотах, а у вишни — в валине и глутаминовой кислоте. Первоначально из двуокиси азота образуются азотистая и азотная кислоты, которые в растениях подвергаются нейтрализации с помощью ионов натрия и калия. Таким образом, интенсивность поглощения двуокиси азота растениями обусловлена двумя процессами: нейтрализацией образующихся кислот и восстановлением азота с последующим включением его в состав аминокислот.
Другие окислы азота NO, N2O3 и N2O5 легко растворяются в воде, содержащейся в воздухе, а затем усваиваются растениями. Однако для успешного протекания этого процесса необходимо, чтобы концентрация окислов азота не была губительной для растений. Нормальное усвоение и превращение окислов азота в растениях протекает при их физиологических концентрациях, которые бывают разными в зависимости от внешних условий и вида растения.
Растения, интенсивно поглощающие и усваивающие окислы азота и дающие большую биомассу, могут играть важную роль в очистке окружающей среды от этих фитотоксикантов.
Детоксикация аммиака растениями исследована С. В. Дурмишидзе (1977). Данное соединение обладает слабо выраженной токсичностью. В воздухе в присутствии влаги аммиак реагирует с углекислым газом, образуя карбонаты, или с водой, превращаясь в гидрат окиси аммония. В этих условиях аммиак может образовывать также сульфаты, хлориды и другие аммонийные соли. Связывание поглощенного аммиака растениями происходит в основном в форме амидов — аспарагина и глутамина. Кроме того, могут образовываться аспарагиновая и глутаминовая кислоты, аланин, аргинин и тирозин. Активно участвуют в детоксикации аммиака органические кислоты с образованием аммонийных солей. На это указывает тот факт, что общее обогащение меченым азотом аммиака виноградной лозы гораздо выше, чем суммарная радиоактивность аминокислот, что указывает на быстрое превращение газообразного аммиака в корнях в соли аммония.
Усвоение газообразного аммиака растениями происходит довольно быстро, однако после насыщения растений аммиаком интенсивность его включения в корни и листья уменьшается или остается на неизменном уровне.
Различные растения поглощают угарный газ неодинаково. Более чувствительная к нему традесканция интенсивнее поглощает его, чем устойчивая овсяница луговая.
Сотрудники Института биохимии растений АН ГССР исследовали механизм усвоения этого соединения растительными организмами. Оказалось, что они усваивают окись углерода и включают ее в общий метаболизм. Проростки райграса, кукурузы и фасоли, выращенные в стерильных условиях, активно метаболизируют угарный газ. Усвоение и превращение его происходят как на свету, так и в темноте, однако на свету эти процессы осуществляются значительно быстрее. Листья некоторых растений способны связывать угарный газ на свету даже в том случае, если содержание его в газовой среде составляет 60–90 %. При низких концентрациях СО (1,25–12,5 мг/м3) скорость фиксации этого соединения листьями растений мало зависела от освещения.
В результате первичного окисления из окиси углерода образуется углекислый газ, который потребляется растениями в ходе фотосинтеза. По этой причине интенсивность усвоения угарного газа на свету значительно выше, чем в темноте.
Интенсивность связывания СО варьирует также у разных видов растений. Угарный газ активно усваивается кленом, бирючиной, ольхой, осиной, елью. Установлено, что однорядная посадка клена ясенелистного (при ширине полосы 4 м) снижает уровень загрязненности воздуха угарным газом на 7—10 %, а при пятирядной посадке (ширина полосы 30 м) снижение уровня загрязненности угарным газом составляет 60–70 %. По другим данным, каждый 1 км2 поверхности, занятой высшими растениями, за сутки усваивает от 12 до 120 кг окиси углерода. В пересчете на год растительность Земли усваивает 3—30∙108 т угарного газа.
Важная роль в связывании СО принадлежит почвенным бактериям. Еще в 1926 г. было установлено, что садовая почва, помещенная в атмосферу светильного газа, поглощает угарный газ. Однако, если почва была предварительно простерилизована, фиксации СО не происходило. Дальнейшие исследования позволили установить, что наибольшую CO-связывающую активность проявляют богатые органикой почвы, в частности тропические, а наименьшую — почвы пустынь. Активность почвы возрастает с повышением температуры, достигая максимума при 30°. Если же температура становилась выше 40°, то наблюдалось не поглощение, а выделение СО. Масштабы поглощения угарного газа почвенными микроорганизмами оцениваются исследователями по-разному: от 5–6∙108 т/год до 14,2∙109 т/год.
Древесные растения (каштан конский, липа сердцевидная, тополь черный), произрастающие вдоль улиц городов, очищают воздух, загрязненный выхлопными газами автомобилей, от свинца. Интенсивность очищения воздуха от этого элемента составляет 30–40 мг на 1 кг сухой массы листьев. Осадки смывают с листьев 30–60 % этого металла. Растения, подкормленные минеральными удобрениями, интенсивнее поглощают свинец, чем неподкормленные растения. Наибольшей очищающей способностью по сравнению с другими изученными объектами отличаются листья конского каштана. Сомкнутые насаждения вдоль автомобильных дорог значительно ограничивают распространение свинца, содержащегося в выхлопных газах автомобилей.
Велика роль зеленых насаждений в очистке воздуха от пыли. Мы уже отмечали, что особенно запыленным является воздух городов с развитой промышленностью. Даже в поле содержится до 25 г, а в засуху до 50 г. пыли на 1 м3 воздуха. Вместе с тем в лесу пыль практически отсутствует. Например, на расстоянии 3 км от опушки леса число пылевых частиц составляет всего 5 % от того количества, которое имеется в воздухе у стены леса. Ученые, работающие на Лесной опытной даче Тимирязевской сельскохозяйственной академии, в конце марта определяли количество пылевых частиц в снежном покрове. Для этого пробы снега оттаивали, после чего осадок отфильтровывался и высушивался. Оказалось, что на 1 м2 поверхности изреженного соснового леса приходится 49–63 г пылевых частиц, тогда как в кварталах, расположенных в центре лесного массива, — 23–25 г. Из этого можно сделать заключение, что леса играют особую роль в очистке воздуха от ныли. Дело в том, что если площадь листовой поверхности травянистых ландшафтов превосходит занимаемую территорию в 2–6 раз, то лесных — в 7—10 раз. Одно дерево тополя высотой 9 м имеет площадь ствола и ветвей, равную 8,5 м2, и плюс к тому листовую поверхность, равную 51 м2. Площадь хвои на 1 га густого леса составляет 10–12 га. Исследователи установили, что 1 га пихтового леса в состоянии задержать за год 32, елового — 30, соснового — 35, дубового — 54 т пылевых частиц. Еще более эффективен в этом отношении буковый лес, каждый гектар которого задерживает до 68 т пыли. Это связано с тем, что 1 га буковых насаждений развивает общую листовую поверхность, равную 75 га.
Задержке пыли способствует наличие на листьях деревьев и кустарников опушения. Если за вегетационный период тополь черный, растущий поблизости от цементного завода, способен осадить 44 кг пыли, тополь белый — 53, ива белая — 34, клен ясенелистный — 30 кг, то опушенные листья вяза мелколистного задерживают пыли значительно больше.
Пыль, оседающая на листьях и ветвях деревьев и кустарников, смывается затем осадками на землю. Это приводит к тому, что запыленность воздуха в городском парке снижается в летнее время на 42 % по сравнению с застроенными и неозеленными территориями, а в зимнее время до 37 %. Некоторые исследователи подчеркивают, что это свойство зеленых насаждений не может быть полностью заменено техническими усовершенствованиями производства. Дело в том, что даже самые совершенные пылеуловители пропускают в атмосферу около 3 % твердых частиц. В связи с этим роль зеленых насаждений в очистке воздуха городов от пыли чрезвычайно велика.
Учитывая это, градостроители совершенно правильно поступают, включая в современную городскую планировку существующие лесные массивы, которые по возможности расширяются за счет дополнительных лесопосадок. Они необходимы с социально-гигиенической точки зрения. Особое значение имеет озеленение территорий предприятий и разведение растений внутри помещений.
Превращение предельных углеводородов. Газообразные предельные углеводороды усваиваются растениями через листья и через корни (например, проростки риса усваивают через корни метан). По данным С. В. Дурмишидзе (1977), меченый углерод метана включается в состав различных органических соединений клетки, а часть его выделяется в виде 14CO2. В проростках кукурузы, побегах чая и тополя идентифицированы органические кислоты — муравьиная, яблочная, лимонная, янтарная, фумаровая, а также аминокислоты — лейцин, глутаминовая кислота, α-аланин и глицин. Исследователи предполагают, что окисление метана в растениях осуществляется по схеме: метан→метанол→формальдегид→муравьиная кислота→…→CO2. Образующаяся при окислении метана муравьиная кислота может подвергаться в растениях дальнейшим превращениям до углекислого газа. Научно-технический прогресс в последние годы способствовал резкому повышению производительности труда шахтеров. Современное оборудование позволяет добывать из одного забоя до 2–5 тыс. т угля в сутки. Ученые работают над тем, чтобы обеспечить добычу 8—10 тыс. т.