В начале мая 1978 г. в Лондоне было зарегистрировано небывалое высокое содержание озона в городском воздухе – 18:1 000 000, т.е. на 1 млн частей воздуха приходилось 18 частей озона.
Казалось бы, ничего плохого в этом нет. Озонированный во время грозы воздух почти все воспринимают как отличающийся особой свежестью и чистотой. Таким он и является на самом деле, но только до тех пор, пока количество озона не превышает определенного предела. В высоких концентрациях он токсичен для живых организмов.
Для человека вредной считается доза 0,2–0,3 мг/м3. Предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе, установленная Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), составляет 6 частей на 1 млн. Таким образом, в тот майский день содержание этого газа в воздухе Лондона превысило ПДК в три раза. (Для сравнения укажем, что фоновое, обычное, содержание озона в воздухе Южной Англии составляет 2–4 части на 1 млн.)
Ясно, что никакая, даже сверхмощная гроза не может стать причиной появления такого количества озона, следовательно избыточное его количество – плод деятельности человека. Этот газ широко применяется для дезинфекции, обеззараживания питьевой воды, дезодорирования дурно пахнущих веществ, для очистки промышленных стоков, отбеливания тканей. Он используется во многих технологических процессах, например, в органическом синтезе различных жирных кислот, эпоксидных смол.
В повышении концентрации озона в атмосфере повинны и предприятия топливно-энергетического комплекса. Они выбрасывают в воздух большое количество сернистого газа и окислов азота, молекулы которых под влиянием ультрафиолетовых лучей солнечного спектра способны переходить в активное состояние с выделением атомарного кислорода. Последний реагирует с молекулярным кислородом воздуха, в результате чего и образуется озон – важнейший компонент так называемого фотохимического смога.
О том, как действует на человека этот густой туман – аэрозоль вредных веществ, содержащихся в выбросах и копоти, озона и токсичных металлов, – напоминать излишне. Во многих крупных промышленных городах в дни смога наблюдается значительное увеличение смертности вследствие обострения хронических заболеваний сердечно-сосудистой системы, дыхательных путей и т.п.
Конечно, обнаружить смог нетрудно. Но как заметить регулярное увеличение количества озона в воздухе? В этом могут помочь растения.
Наиболее чувствительны к озону виноград, цитрусовые, табак, шпинат, редис, фасоль, картофель, томаты, люцерна. Как правило, повреждение озоном винограда сопровождается возникновением темно-коричневых пятен на верхней стороне взрослых листьев. Причем более старые из них повреждаются сильнее, чем молодые. В районе великих озер (США), где концентрация озона составляет 0,2 мг/м3, листья винограда не только теряют зеленую окраску, но и преждевременно опадают.
У клевера и райграса под влиянием повышенных доз этого фотооксиданта значительно сокращается сама поверхность листа – на 50 и 35% соответственно. Изменяется и внешний вид листьев. Сначала они становятся серебристыми и глянцевитыми, затем хлоротичными с участками некроза. Кончики их обесцвечиваются, становятся белыми.
Изучение поврежденных листьев винограда и петунии выявило общую закономерность: озон оказывает преимущественное влияние на мякоть листа (так называемую столбчатую паренхиму). Первым симптомом внутриклеточных повреждений является разрушение хлоропластов и скопление продуктов распада в виде общей однородной, неструктурированной массы.
Изменения структуры хлоропластов сказываются на интенсивности фотосинтеза. Особенно заметно снижается скорость усвоения углерода углекислого газа под воздействием озона у подсолнечника.
Японские исследователи установили, что озон влияет не только на сам фотосинтез, но и на распределение его продуктов в клетке. По мнению большинства из них, первичной мишенью действия озона является клеточная мембрана, проницаемость которой резко изменяется. Например, у сои под влиянием озона внутриклеточные мембраны становятся более чувствительными к красителям, чем мембраны неповрежденных растений. А у петунии под действием озона значительно ускоряется выход из клеток ионов калия, что легко обнаруживается, поэтому он был рекомендован как количественный показатель влияния озона на растения.
Другим показателем влияния озона на растения может служить изменение их дыхания. Так, после двухчасового пребывания опытных растений в атмосфере с повышенным содержанием озона скорость дыхания снижается на 60%.
Результатом подобных изменений является снижение темпов роста и урожайности растений, в том числе сельскохозяйственных культур. Потери урожая картофеля могут достигать 50%, люцерны – 33–42%. У петунии фотооксидант вызывает уменьшение диаметра и веса цветков.
Установлено, что не только различные виды, но и разные сорта одного и того же вида растений неодинаково реагируют на воздушные загрязнения. Почему же одни из них оказались более чувствительны к озону, чем другие? Специальные эксперименты показали, что растения устойчивых сортов отличаются скоростью физиологических реакций на повышение концентрации озона. Они быстрее закрывают устьица и поэтому меньше накапливают токсичный газ.
Разумеется, для целей биологического мониторинга нужны особо чувствительные сорта растений. К таковым относится, например, фасоль сорта Пинто, которая очень чутко реагирует на избыток озона и паров оксиацетилнитрата в воздухе. Специально выведены сорта табака, отличающиеся повышенной чувствительностью к этому оксиданту. В 1967–1968 гг. в отдельных районах ФРГ загрязненность воздуха озоном определяли, анализируя симптомы повреждений индикаторных растений – табака сорта BeIC3.
В 1981 г. для более точного учета повреждений индикаторных растений озоном был предложен метод, включающий два этапа:
– фотографирование поврежденных листьев в природных условиях (в поле);
– измерение, проводимое на негативах с помощью телевизионной камеры, соединенной с вычислительной машиной. Использование зеленого светофильтра при фотографировании листьев позволяет получать негативы, на которых некротические участки выглядят как темные пятна на белом фоне, размеры которых точно подсчитывают с помощью вычислительной техники.
Действие озона на культуру ткани табака в искусственной питательной среде приводило к тому, что ее кусочки становились коричневыми.
Другим характерным признаком действия озона на растения является угнетение (до полного прекращения) прорастания пыльцы. Этот феномен также предложено использовать в качестве биотеста на повышение концентрации озона. По скорости роста пыльцевых трубок можно определять содержание озона в воздухе.
Работы в этом направлении продолжаются, что свидетельствует о важном значении, придаваемом во всем мире биомониторингу присутствия в атмосфере озона – чрезвычайно распространенного и опасного токсиканта.
