Государственная служба дорожного хозяйства
Министерства транспорта Российской федерации

Ю.В. Трофименко, А.В. Лобиков

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ
АВТОТРАНСПОРТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ПРИРОДНОЙ ПОЛОСЫ

Обзорная Информация

5-2001

В обзоре приводятся сведения о влиянии природно-климатических условий на уровень автотранспортного загрязнения придорожных территорий автомагистралей, рассматриваются различные биологические методы снижения этого загрязнения в сравнении с физико-химическими методами, а также принципы формирования искусственных экосистем на придорожных территориях и использование биоты как индикатора качества окружающей среды.

Обзор подготовили д-р техн. наук,

профессор Ю.В. Трофименко,

канд. биол. наук А.В. Лобиков (МАДИ-ТУ)

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

Все больше специалистов начинает понимать, что для решения постоянно усложняющихся экологических проблем дорожного хозяйства необходимо развивать принципиально новые подходы, разрабатывать соответствующие методы, технологии, в том числе основанные на использовании свойств живых организмов, поскольку созданные природой конструкции гораздо тоньше и намного совершеннее любой инженерной разработки.

Биотехнологии позволяют решать ряд экологических проблем, включая защиту окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных, бытовых отходов и деградацию токсикантов, попавших в среду. Они реализуют малоотходные процессы получения веществ и энергии. Все это связано с новой научной дисциплиной - бионикой, основной задачей которой является изучение принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов с целью применения полученных знаний для коренного усовершенствования существующих технических систем. К таким техническим системам относятся и дорожные инженерные сооружения.

В обзоре рассмотрено влияние природно-климатических условий на уровень автотранспортного загрязнения придорожной полосы, приводятся сведения о применении биоиндикаторов для оценки устойчивости экосистем на придорожных территориях, основные методы и технологии использования живых организмов для снижения автотранспортного загрязнения придорожной полосы, а также сформулированы принципы конструирования искусственных экосистем на придорожных территориях.

2. ВЛИЯНИЕ ДОРОЖНОГО ИНЖЕНЕРНОГО СООРУЖЕНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ ПРИРОДНУЮ СРЕДУ

Строительство автомобильной дороги неизбежно приводит к изменению ландшафта. Ее воздействие может быть прямым и косвенным. Косвенные воздействия (также известные как вторичные, третичные и цепные воздействия), связанные со строительством автомобильной дороги, могут иметь более сильное влияние на окружающую среду, чем прямые воздействия. Косвенные воздействия сложнее подвергнуть количественной оценке, но они могут быть более опасными и распространяться на значительные площади территории. В результате могут проявляться следующие последствия:

- деградация качества поверхностных вод от эрозии почвы, расчищенной в результате строительства дороги, неправильно спроектированной системы дренажа, проходящей через водораздел дороги;

- синергический эффект, который может закончиться деградацией или разрушением экосистем (ухудшение водного регулирования и фильтрующей способности почвы из-за строительства дороги или структуры экосистемы, когда размещение новой дороги через лес ведет к внутренней миграции видов).

Кроме того, автомобильные дороги, пересекающие бассейны дренажа, изменяют естественное течение поверхностной воды, концентрируя ее в некоторых точках и увеличивая скорость потока. Строительство дороги может менять и уровень грунтовых вод (рис. 1) [1].

Рис. 1. Изменение уровня грунтовых вод в результате дорожного строительства:

а - насыпь; б - выемка;

▬ - уровень грунтовых вод

В черте города на состояние экосистем придорожной полосы заметное влияние оказывают совсем другие компоненты техногенного воздействия. К ним относятся:

- тепловые аномальные поля, связанные, в основном, с инженерными коммуникациями;

- подтопление территории города, в том числе связанное с утечками из подземных водонесущих коммуникаций;

- пылевые загрязнения снегового покрова - уникальная депонирующая среда, свидетельствующая о загрязнении воздуха, растительности, а после таяния снега - почв и поверхностных вод, формирующих условия произрастания растений;

- асфальтобетонное покрытие улиц и площадей, препятствующее нормальному воздухо- и влагообмену в местах посадки и роста деревьев;

- нарушение травянистого покрова и его обеднение, следствием чего является снижение уровня численности энтомофагов и других представителей полезной энтомофауны в городских фитоценозах;

- освещение города в ночное время, которое, изменяя поведение многих видов насекомых-фитофагов, способствует их перераспределению и скоплениям в пределах зеленых насаждений, что нередко приводит к сильному повреждению последних [2].

В результате перечисленных процессов происходит изменение в экосистеме, нарушается ее устойчивость. Однако этим антропогенное воздействие не ограничивается. В результате сжигания топлива растет концентрация свинца в почве и воздухе; истирание протектора шин и тормозных колодок приводит к загрязнению почвы кадмием, асбестом; оксиды серы и азота поступают в атмосферу, образуя кислотные дожди, подкисляющие почву и растворяющие восковой защитный слой хвои и листвы. Вообще, химическое загрязнение воздуха оказывает очень разностороннее действие на придорожную экосистему. Так, загрязнение одной лишь пылью может оказывать следующие эффекты на растительность:

- закупорку устьиц, нарушающую воздухо-, влаго- и теплообмен;

- высасывание из листьев воды, что приводит к их усыханию;

- нарушение нормального хода фотосинтеза в результате более сильного отражения солнечного света, необходимого для этого процесса;

- перегрев листьев, изменение водного и теплового баланса растений в результате поглощения инфракрасного излучения.

Согласно данным ряда исследователей [3, 4], на придорожной территории формируются особые зоны, вплотную примыкающие к бровке земляного полотна и имеющие обычно ширину до 10 м. В этих зонах проявляется так называемый «краевой» эффект воздействия транспортных средств на экосистемы и особенно на биоту. Он состоит в полной деградации растительного покрова в результате сильного техногенного давления. Ширина зоны «краевого» эффекта, как правило, увеличивается по мере удлинения срока эксплуатации автомобильной дороги. Данные предварительных измерений состояния фотосинтетического аппарата насаждений липы, находящихся на различном расстоянии от проезжей части Ломоносовского проспекта в Москве, показали, что эффективность фотосинтеза значительно снижена у деревьев, произрастающих вблизи проезжей части, и постепенно возрастает до нормальной величины (около 80%) на расстоянии 25 м от проезжей части [5].

Аккумуляция по обочине дорог солей также создает «краевой» эффект на ширине 1-3 м. Повреждение придорожных посадок не наблюдается в местах с обеспеченным водоотводом. Дело в том, что изменение состояния почв происходит в результате просачивания рассола в зоны расположения растительности до 6-8 м от проезжей части дороги. Следует отметить, что повышенное содержание солей не оказывает слишком вредного влияния на растительность, достаточно удаленную от проезжей части (не ближе 3-4 м), хотя она и становится менее пышной. Вероятность гибели деревьев тоже существенно снижается, если они посажены не ближе 9 м от кромки проезжей части [5]. Причем повреждение растительности солями снижается на плодородных почвах, особенно богатых фосфатами. Менее угнетающее действие хлориды оказывают на растения, высаженные на легких песчаных и супесчаных почвах. Этому способствуют особенности физико-химических свойств легких грунтов: большая пористость, хорошая водопроницаемость и воздухообеспеченность. Накопление ионов хлора в суглинистых грунтах происходит в 2-3 раза быстрее, чем в супесях.

Таким образом, уровень воздействия дороги на близлежащую территорию зависит не только от интенсивности транспортных потоков, но и от природно-климатических условий. Воздействие природно-климатических условий обсуждается в литературе значительно реже и требует более детального описания.

Природно-климатические условия - это комплекс факторов, изменяющихся в зависимости от природной зоны и оказывающих определенное влияние на биосферные процессы. Одним из наиболее важных среди этих факторов являются почвенные условия. Следует отметить, что учитываемые при строительстве дороги свойства грунта значительно отличаются от экологических характеристик почвы. Устойчивость почв к химическому загрязнению напрямую связана с ее свойствами. Плодородные почвы тяжелого механического состава с высоким содержанием гумуса связывают, к примеру, тяжелые металлы в менее доступную для растений форму. Уплотнение почвы и нарушение окислительно-восстановительных условий, увеличение кислотности или щелочности приводит к возрастанию подвижности тяжелых металлов. Макро- и микроэлементный состав почвы также может менять токсичность, например, свинца и кадмия, которые обнаруживают антагонизм при поступлении в растения с кальцием и фосфором [6].

Важно отметить, что повышение концентрации в почве тяжелых металлов не всегда приводит к отрицательному воздействию на придорожные экосистемы, так как некоторые из них участвуют в физиологических процессах и необходимы живым организмам. Токсичное действие этих элементов начинается только при возрастании их концентрации выше оптимальной. Данная зависимость проиллюстрирована на рис. 2 [6].

Рис. 2. Воздействие микроэлементов нарост и развитие растений:

а - жизненно необходимые микроэлементы; б - микроэлементы, не имеющие жизненно важного значения

Наиболее загрязненными, как правило, являются городские почвы. Например, в Москве, в районе Фрунзенской набережной, содержание Рb в почве составляет около 900 мг/кг, в то время как в начале текущего столетия его концентрация в столичных почвах равнялась всего лишь 6 мг/кг (территория Лесной опытной дачи Московской сельскохозяйственной академии) [7].

Учитывая агрессивные условия среды на придорожной территории, необходимо по возможности снижать интенсивность миграции загрязнителей в экосистеме, локализовав их в почвенной среде. Это может быть достигнуто увеличением буферной способности почвы. Для сохранения жизнеспособности экосистемы в целом необходимо также улучшать почвенное плодородие. Обе цели могут быть достигнуты внесением органических и минеральных удобрений, известкованием, регуляцией водного и воздушного режима почвы. Однако свойства почвы существенно меняются в зависимости от природно-климатической зоны, следовательно, меняются и экологические характеристики почвенной среды, а вместе с ними и методы их улучшения.

Таким образом, знание состава почвы, ее свойств и происходящих в ней физико-химических, химических и биологических процессов важно для понимания устойчивости придорожной экосистемы в целом. В связи с этим необходимо более подробно рассмотреть некоторые характеристики и отличительные особенности различных типов почв.

Важная экологическая характеристика почвы - механический состав. Он характеризует ее плодородие и устойчивость к антропогенному воздействию. От механического состава почв зависит ее плотность, порозность, влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемная способность, воздушный и тепловой режимы и другие, а также технологические особенности почвы (твердость, липкость, крошение пласта при вспашке). Знание механического состава почв необходимо для решения вопросов, связанных с созданием защитного озеленения (подбором почвообрабатывающих орудий, размещением культур, определением глубины внесения семян и удобрений, установлением сроков и способов полива).

В каждой почве содержится несколько механических фракций: «физический песок» - частицы крупнее 0,01 мм; «физическая глина» - частицы мельче 0,01 мм. Все частицы крупнее 1 мм называют скелетной частью почвы, а мельче 1 мм -мелкоземом. В зависимости от соотношения разных фракций выделяют почвы различного механического состава (табл. 1) [8].

Таблица 1

Классификация почв и пород по механическому составу (по Н.А. Качинскому)

Почвы разного механического состава имеют различные свойства. Песчаные почвы хорошо пропускают воду, но плохо удерживают ее. Вследствие малой влагоемкости выпадающие осадки в них не задерживаются, что способствует выщелачиванию питательных веществ из верхних горизонтов. Они быстрее других прогреваются весной, вследствие чего их называют теплыми. Песчаные почвы легко поддаются обработке сельскохозяйственными орудиями, поэтому их называют легкими. Они имеют хороший воздушный режим. Эти почвы содержат незначительное количество гумуса и зольных элементов питания растений, поэтому в них необходимо вносить органические удобрения большими дозами, а минеральные - дробными.

Иными свойствами обладают глинистые почвы: они холодные, так как медленно прогреваются весной (на испарение влаги расходуется много тепла), тяжелые, потому что трудно поддаются обработке сельскохозяйственными орудиями. Эти почвы обычно очень плотные, твердые (в сухом состоянии), вязкие, липкие (в сильно увлажненном состоянии) и поэтому имеют плохие водный и воздушный режимы. Глинистые почвы содержат достаточное количество элементов питания растений, но часто растения не могут их использовать. Для растений лучшими по механическому составу считаются суглинистые и супесчаные почвы. Они имеют более благоприятное по сравнению с песчаными и глинистыми почвами сочетание водного, воздушного и теплового режимов. Суглинистые почвы достаточно влагоемки и водопроницаемы, хорошо удерживают воду, легко оструктуриваются, содержат достаточно для нормального развития и роста растений элементов питания и воздуха, по сравнению с глинистыми почвами легче обрабатываются. Супесчаные почвы обладают меньшей влагоемкостью и содержат меньше элементов питания растений, чем суглинистые и глинистые почвы.

Важная экологическая характеристика почвы - содержание органического вещества. Органические компоненты почвы образуют с металлами слабо подвижные комплексы. Органика связывает тяжелые металлы прочнее, чем минеральное вещество почвы. Емкость поглощения металлов гумусом в 4 раза выше, чем глиной. Прочно фиксируются органическим веществом свинец и медь, более слабые связи образуются с кадмием, никелем, марганцем и кобальтом. Определенную роль в связывании тяжелых металлов играют полуторные окислы, а также кальций и фосфор. Содержание в почве таких тяжелых металлов как кадмий в большей степени зависит от ее кислотности, в меньшей - от механического состава. Например, кадмий подвижен в кислых почвах с рН менее 5,5; а в слабокислых и нейтральных с рН = 5,5-7,5, щелочных и сильнощелочных с рН = 7,5-9,5 - малоподвижен.

Таким образом, на почвах тяжелого гранулометрического состава, богатых минералами монтмориллонитовой группы и насыщенных обменными основаниями, имеющих высокую емкость поглощения и нейтральную реакцию почвенного раствора, растения накапливают металлов значительно меньше, чем на легких кислых почвах, бедных органическим веществом и имеющими низкую емкость обмена почвенно-поглощающего комплекса.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сформировать основные требования к качеству плодородного корнеобитаемого слоя почвы защитной лесополосы:

1. Почвенный слой мощностью 12-20 см должен иметь выраженную структуру, состоящую на 80-90% из частиц диаметром более 1 мм.

2. От механического состава почвы зависят водопроницаемость, влагоемкость, рыхлость, связность и другие физические свойства(табл. 2).

3. Количество гумуса в почве должно быть на уровне 4-8%.

4. Кислотность почвы - слабощелочная реакция - рН = 6,6-7,0. Гидролитическая кислотность - <2 мг-экв/100 г почвы.

5. Содержание обменного магния (Mg) - 4 мг-экв/100 г почвы.

6. Содержание обменного кальция (Са) - 20 мг-экв/100 г почвы.

7. Содержание подвижной серы (S) - 12 мг/кг почвы.

8. Содержание питательных веществ в почве, оптимальное для выращивания злаковых травосмесей, должно быть следующим:

- содержание подвижного фосфора (P₂O₅) - 250-400 мг/кг почвы;

- содержание обменного калия (K₂O) - 300-350 мг/кг почвы.

9. Содержание микроэлементов (подвижные формы), мг/кг почвы:

- бора (В) - 0,71;

- молибдена (Mо) - 0,23;

- цинка (Zn) - 5,01;

- кобальта (Со) - 2,21;

- марганца (Мn) - 70,01.

10. Балльная оценка почв по сводному показателю качества - 90-100 баллов.

Таблица 2

Оптимальный механический состав почвы для газона в районах достаточного увлажнения (территория Московской области)

Результаты проведенного авторами обзора исследования механического состава почвы придорожной лесополосы Ленинградского проспекта в Москве показали, что содержание физического песка немного больше, а содержание физической глины меньше оптимального значения (табл. 3).

Таблица 3

Механический состав почвы Ленинградского проспекта в Москве

Интересно отметить, что в процессе анализа элементного состава почвы придорожной полосы Ленинградского проспекта в Москве превышение предельно допустимых концентраций по всем исследуемым элементам (табл. 4) не обнаружено. Исключение составляет сера, что вероятнее всего связано с газопылевыми выбросами потоков транспортных средств и истиранием шин автомобилей. Исследуемая почва имела нейтральную или слабощелочную реакцию среды. Содержание гумуса, фосфора и калия высокое, оптимальное для произрастания газонных трав и деревьев (см. табл. 4). Содержание кальция повышенное, содержание магния среднее (табл. 5).

Несмотря на то, что образцы почвы были отобраны осенью, когда соли должны вымываться, концентрации K, Na, SO₄^2- и особенно Сl были выше в поверхностном горизонте почвы (см. табл. 5).

Таким образом, исследуемая почва обладает высокими буферными свойствами. Причиной этого является нейтральная реакция среды, наличие значительных концентраций антагонистов свинца - фосфора и кальция, большое количество органического вещества.

Важно подчеркнуть, что экологические характеристики почвенной среды могут сильно отличаться в зависимости от ее типа. Например, свойства дерново-подзолистых почв Нечерноземной зоны и основных подтипов черноземов имеют существенные отличия. Ниже приводится краткая экологическая характеристика и методика улучшения наиболее распространенных почв России [9].

Таблица 4

Агрохимические показатели плодородия и содержание тяжелых металлов в почве Ленинградского проспекта в Москве на глубине до 20 см

Таблица 5

Содержание солей в почве придорожной лесополосы Ленинградского проспекта в Москве на глубине до 20 см

Дерново-подзолистые почвы имеют кислую реакцию (рН = 4,0-4,5). Большая часть этих почв нуждается в известковании. Для дерново-подзолистых почв характерно низкое содержание гумуса, общего азота и фосфора и резкое снижение их с глубиной профиля. Агрохимические свойства этих почв сильно варьируют в зависимости от их механического состава и степени окультуренности. В суглинистых почвах содержится от 2 до 3-4% гумуса, 0,1-0,2 % азота, 0,07-0,12 % соединений фосфора (Р₂O₅) и калия (K₂О) около 15%. Песчаные и супесчаные почвы беднее гумусом, N, Р, K, Са, Mg и микроэлементами, чем суглинистые. Содержание гумуса в легких почвах не превышает 0,5-1,0 %, азота - 0,03-0,08 %, фосфора - 0,03-0,6 % и калия - 0,5-1,0 %. Содержание микроэлементов в дерново-подзолистых почвах колеблется в широких пределах, возможен как недостаток некоторых из них (B, Мо и других), так и избыток (например, Мn).

Большинство дерново-подзолистых почв характеризуется сравнительно низким содержанием усвояемых (минеральных) форм азота, подвижного фосфора, а песчаные и супесчаные почвы -также и калия. Размер кислотности и содержание подвижных форм питательных веществ в почвах в сильной степени зависят от их окультуренности (табл. 6).

Таблица 6

Агрохимическая характеристика дерново-подзолистых почв

С повышением степени окультуренности этих почв (при систематическом применении органических и минеральных удобрений, известковании и т.д.) снижается кислотность, увеличивается содержание гумуса и общего азота, подвижного фосфора и обменного калия, повышается их плодородие. Вследствие того, что дерново-подзолистые почвы обычно бедны элементами питания, но достаточно увлажнены, применение органических и минеральных удобрений дает высокий эффект.

Серые лесные почвы характеризуются слабокислой реакцией (рН = 4,8-6,0). Содержание гумуса в горизонте на глубине до 20 см колеблется от 2 до 6 % и с глубиной снижается более постепенно, чем в дерново-подзолистых почвах. Общее содержание азота в этих почвах 0,15-0,35%, фосфора - 0,05-0,2 %, калия - 1,5-3 %. Серые лесные почвы в зависимости от мощности гумусового горизонта, содержания гумуса и развития признаков оподзоленности подразделяются на светло-серые, серые и темно-серые, отличающиеся по агрохимическим свойствам (табл. 7).

Таблица 7

Агрохимическая характеристика серых лесных почв

От светло-серых к серым и темно-серым почвам увеличиваются мощность гумусового горизонта, содержание гумуса, уменьшается кислотность. Серые лесные почвы обычно имеют невысокое содержание усваиваемых соединений азота, подвижного фосфора и калия, но оно может сильно колебаться в зависимости от степени окультуренности и предшествующей удобренности почвы. Необходимо систематическое применение органических и минеральных удобрений, а на светло-серых почвах с кислой реакцией - также известкование. Эффективность минеральных удобрений наиболее высокая в западных провинциях зоны и несколько ниже в центральном и особенно восточном районах.

В повышении уровня комфортности высаживаемых растений на серых лесных почвах ведущая роль принадлежит азотным удобрениям, на втором месте по эффективности стоят фосфорные удобрения, слабее действуют калийные.

Черноземы по сравнению с другими почвами имеют более высокое естественное плодородие (табл. 8). Реакция этих почв близкая к нейтральной или слабощелочная (рН = 6-8). Наилучшие показатели почвенного плодородия имеет типичный чернозем. К северу у выщелоченного чернозема и к югу у обыкновенного и особенно южного черноземов большинство из этих показателей снижается.

Таблица 8

Агрохимическая характеристика черноземов

3. ПРИМЕНЕНИЕ БИОИНДИКАТОРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМ НА ПРИДОРОЖНЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Для оценки загрязнения окружающей среды в качестве биоиндикаторов используют как низшие растения - мхи, лишайники, так и высшие - хвойные породы, поскольку они наиболее чувствительны к промышленным и транспортным загрязнениям. Это могут быть как дикорастущие, так и культивируемые виды растений. Кроме того, состояние экосистемы на придорожной территории можно оценить визуально без специально посаженных растений. Проведенный авторами обзора анализ состояния зеленых насаждений Ленинградского проспекта в Москве показал, что проективное покрытие газона придорожной территории далеко от 100%. При этом почва у бордюров является сильно уплотненной вследствие заезда паркующихся или маневрирующих автомобилей на территорию газона. Это приводит к увеличению глубины промерзания почвы на уплотненных участках в 3-4 раза, а также значительно уменьшает начальную скорость впитывания воды. Уплотненный слой заметно снижает накопление влаги в корнеобитаемой толще и ускоряет ее иссушение. Кроме того, уплотнение почвы нарушает и тепловой режим [10].

Поиск возможных фитопатологии на исследуемой территории обнаружил краевой некроз листьев (рис. 3), который, очевидно, имеет не инфекционную этиологию, а также отслоение коры. Наиболее вероятные причины: переуплотнение и засоление почвы, недостаток кислорода, повышенное содержание в воздухе оксидов азота. На рис. 4 продемонстрировано интенсивное загрязнение листовой пластинки сажей и пылью с Ленинградского проспекта, что препятствует нормальному фотосинтезу, тепловому и влагообмену.

Рис. 3. Краевой некроз листьев

Рис. 4. Загрязнение листа сажей

Таким образом, основной причиной снижения физиологического статуса ближайшего к Ленинградскому проспекту ряда деревьев можно считать газопылевые выбросы транспортных потоков и неблагоприятное изменение почвенных режимов. Сравнительный анализ ПДК загрязнителей воздуха для древесных пород и полученных данных по концентрациям загрязняющих веществ атмосферы говорит о превышении предельно допустимых концентраций по саже в 58 раз, по оксидам азота - в 21 раз. Причем ни один из этих показателей в течение суток не опускался до предельно допустимых значений (табл. 9) [11].

Таблица 9

ПДК характерных в отработавших газах автомобилей вредных веществ в атмосфере для древесных пород (определены методом оценки интенсивности фотосинтеза)

Согласно данным других авторов (табл. 10), объединивших различные нормативы допустимого загрязнения воздуха для зеленых насаждений, превышение предельно допустимых концентраций по окислам азота составляет в среднем 4,4 раза [12]. Согласно мнению разработчиков табл. 10, использование дифференцированных по каждому ингредиенту ПДК (минимальных, средних, максимальных) и временному интервалу действия ингредиента позволит учитывать специфические зональные и локальные условия территории, что, несомненно, более перспективно. В благоприятных для произрастания древесных растений почвенных, погодно-климатических и других условиях можно использовать средние и максимальные значения ПДК ингредиентов, а в неблагоприятных - более жесткие (минимальные) показатели ПДК.

Известно, что деревья обычно умирают медленно. На спиле ствола видно, когда дерево заболело, хотя оно погибло много лет спустя. Внимательно присмотревшись, можно достаточно рано поставить диагноз. Обычно хвоя елей и пихт не опадает 7-10 лет, у больных же деревьев, ближе к стволу, она начинает постепенно осыпаться, и крона становится все более прозрачной. Больные лиственные деревья также теряют листву, у них часто отслаивается кора.

Таблица 10

Нормативы допустимого загрязнения воздуха для зеленых насаждений Москвы

Вредные насекомые активно размножаются в искусственных насаждениях. Здоровые деревья умеют защитить себя от непрошенных гостей: они закупоривают смолой ходы, сделанные древоточцами и их личинками. Однако под влиянием загрязненного воздуха и кислотных дождей снижается жизнеспособность деревьев. Деревья не могут противостоять своим врагам. Ослабленные ветви и стволы легко ломаются под тяжестью снега и порывами ветра. Массовое появление насекомых никогда не является причиной болезни леса, а всегда - ее следствием. Данный факт становится очевидным, если вспомнить, что на животных растения оказывают либо аттрактивное (привлекающее), либо репеллентное (отталкивающее) действие. Это особенно важно для фитофагов при выборе кормовых растений и для паразитов при выявлении растений-хозяев. К примеру, ослабленные в результате физиологических нарушений деревья выделяют летучие вещества, информирующие стволовых вредителей о том, что они могут их заселять. Аттрактивное действие таких соединений наиболее сильно проявляется у свежесрубленных деревьев, т.е. у умирающих растений, находящихся на пределе физиологической ослабленности [13].

Возвращаясь к проблеме оценки загрязнения придорожной территории с помощью специально посаженных биоиндикаторов, необходимо отметить, что отрицательное воздействие выхлопных газов автомобилей проявляется на некоторых растениях настолько отчетливо, что их с успехом можно использовать для обнаружения опасной для здоровья людей концентрации выбросов транспортных потоков. Чрезвычайно чувствительна к выхлопным газам транспортных средств традесканция. Окраска ее тычинок меняется из синей в розовую при увеличении в воздухе содержания некоторых газов, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания. Помимо этого растения могут выступать в качестве индикаторов образования фотохимического смога. С помощью гамма облучения японские биологи вывели очень чувствительный к смогу сорт бегонии, которая при первых признаках фотохимического смога покрывается пятнами. Если концентрация фотооксидантов продолжает увеличиваться, то пятна вздуваются, затем образуются сквозные отверстия. Кроме того, японские исследователи предложили в качестве индикатора повышенной концентрации в воздухе озона растения ипомеи сорта Scarlet О'Наrа. В Швейцарии для этой же цели применяются тополь черный и клевер луговой [14]. В Германии используют следующие биоиндикаторы загрязнения воздуха: общего загрязнения - лишайники и мхи; тяжелыми металлами - слива, фасоль обыкновенная; диоксидом серы - ель, люцерна; сероводородом - шпинат, горох; фотооксидантами - крапива, табак; полициклическими ароматическими углеводородами - соя, недотрога обыкновенная [15].

Таким образом, учитывая высокую чувствительность некоторых растений к воздействию автотранспортного загрязнения, их можно использовать в качестве индикаторов его уровня на придорожной полосе. Однако для этого необходимо соблюдение следующих условий:

- воздействия должны приводить к заметной реакции растения;

- эффекты должны хорошо воспроизводиться и характеризоваться специфическими симптомами, свойственными воздействию конкретных загрязняющих веществ;

- растения должны обладать чувствительностью к низким концентрациям загрязняющих веществ и быть устойчивыми к болезням и вредителям.

Известно несколько эффектов воздействия загрязнения воздуха на растения, которые можно условно разделить на эффекты острого и хронического воздействия. Примерами первого типа являются хлороз или некроз ткани листьев, опадание и свертывание листвы, искривление стеблей. К эффектам хронического воздействия относится замедление или прекращение нормального роста и развития растений, медленное увядание растения или его органов.

Основной проблемой использования растений-биоиндикаторов для мониторинга автотранспортного загрязнения является оценка эффекта одновременного воздействия на растения нескольких веществ, находящихся в воздухе, которое может быть аддитивным, антагонистическим или синергетическим. Поэтому идеальное растение-индикатор должно обладать исключительной чувствительностью к действию только одного загрязняющего вещества.

Значительно проще оценить общее воздействие дороги на придорожную экосистему. Согласно исследованиям последних лет, выявлены различные зависимости «доза-эффект» для некоторых биологических видов с учетом факторов, воздействующих в придорожной зоне. Так, неудовлетворительное состояние березы наблюдается при количестве обменного натрия 0,55%, суммарном показателе концентрации загрязнения почв тяжелыми металлами, равном 68, и интенсивности движения более 3600 авт./ч. Удовлетворительное состояние березы наблюдалось при интенсивности движения 2500 авт./ч. Аналогичные данные были найдены и для других видов деревьев (табл. 11) [16].

Таблица 11

Влияние внешних факторов на состояние растений

Графическая зависимость состояния различных видов древесной растительности от интенсивности транспортного потока представлена на рис. 5. На оси X отложены все состояния деревьев - от фоновых - 1 до крайне неудовлетворительных - 4. Все обследованные деревья, кроме клена ясенелистного, обнаружили прямую зависимость между ухудшением своего состояния и увеличением интенсивности движения транспортного потока.

Важно отметить, что ухудшение состояния различных видов древесной растительности не всегда связано с накоплением почвой тяжелых металлов и солей, но почти всегда определяется увеличением интенсивности транспортного потока. Поэтому интенсивность транспортного потока является наиболее значимым фактором для оценки уровня антропогенной нагрузки на придорожную экосистему.

Рис. 5. Состояние различных видов древесной растительности в зависимости от интенсивности движения транспортного потока:

1 - фоновое; 2 - удовлетворительное; 3 - неудовлетворительное; 4 - крайне неудовлетворительное;

 - липа;  - береза;  - клен остролистный;
 - тополь;  - клен ясенелистный;  - вяз;  - рябина

Однако оценка общего уровня антропогенной нагрузки на придорожную экосистему не всегда является достаточной. Иногда требуются более подробные исследования. В этой связи интересно отметить, что для многих растений известны предельно допустимые концентрации токсикантов в воздухе [17]. Так, ПДК диоксида серы (мг/м³) для пеларгонии зональной, тимофеевки луговой, сирени обыкновенной - 0,2; барбариса - 0,5; овсяницы луговой, смородины золотистой - 1,0; клена ясенелистного - 2,0. ПДК формальдегида (мг/м³) для тимофеевки луговой - 2,5; пеларгонии зональной - 5,0, овсяницы луговой - 1,0. Острое воздействие на растения пороговых концентраций газов в атмосферном воздухе представлено в табл. 12 [17].

Таблица 12

Признаки повреждения растений при остром воздействии пороговых концентраций газов в атмосферном воздухе

Согласно данным ряда авторов [17] о повышенной концентрации загрязняющих веществ в придорожной полосе, влияющей на экосистемы, сигнализируют следующие признаки:

- появление ослабленных деревьев и сухостоев среди доминирующих видов;

- заметное уменьшение размеров хвои и листьев;

- преждевременное пожелтение и опадание листьев;

- депрессия прироста по высоте и диаметру деревьев;

- появление некрозов хвои и листьев, снижение срока жизни хвои;

- возрастание повреждений деревьев грибами и насекомыми;

- обеднение почвы питательными веществами и ее закисление.

Широко известными индикаторами чистоты воздуха являются мхи и лишайники. Газообмен у лишайников проходит свободно через всю поверхность. Большинство токсичных веществ концентрируется из атмосферного воздуха в дождевой воде, которую и впитывают лишайники. Этим они отличаются от цветковых растений, поглощающих воду, в основном, из почвы. Важен и тот факт, что лишайники, в отличие от высших растений, не способны избавляться от пораженных загрязнениями частей своего слоевища и обладают способностью расти не только летом, но и при отрицательных температурах воздуха. Поэтому лишайники реагируют на загрязнения атмосферы раньше и сильнее, чем высшие растения [18].

В городах для биоиндикации чаще всего используются эпифитные лишайники, растущие на коре деревьев. Для экологического мониторинга эпифитные лишайники очень удобны, так как доступны для изучения практически в любое время года и хорошо заметны, особенно на стволах деревьев темного цвета. На коре деревьев встречаются накипные, листоватые и кустистые формы. Лишайники растут очень медленно, поэтому для исследований лучше выбирать старые деревья, так как на молодых лишайники могут не успеть поселиться. При увеличении загрязнения воздуха первыми исчезают кустистые формы, затем листоватые и, наконец, накипные (табл. 13) [18].

Таблица 13

Классификация лишайников по типу таллома

Другим методом оценки уровня воздействия транспортных средств на придорожную экосистему является изучение пигментного состава хвои и степени ее поражения (рис. 6) [17].

Рис. 6. Классы повреждения (некрозы) и усыхания хвои:

повреждения: 1 -хвоинки без пятен; 2-е небольшим числом мелких пятнышек; 3-е большим числом черных и желтых пятен, некоторые из них крупные, во всю ширину хвоинки;

усыхание: 1 - нет сухих участков; 2 - кончик 2-5 мм усох; 3 - усохла треть хвоинки; 4 - вся хвоинка желтая или более половины ее длины сухая

Состояние придорожных лесополос в целом и их категорию можно определить по классификации, представленной в табл. 14 [2].

Таблица 14

Для экспресс-анализа свойств почвы также хорошо подходят некоторые растения-индикаторы. Индикаторами песчаной почвы являются звездчатка (мокрица) и коровяк; глинистых и суглинистых - лютик ползучий, дымянка, одуванчик; на сухость почв указывает появление ромашки и полыни, на влажность - мята полевая, щавель, хвощи; индикаторами уплотненных почв служат пырей и лютик ползучий. О застойной сырости почв позволяет судить присутствие мяты и полевого хвоща, показатель засоленных почв - лебеда и солерос. Индикаторами кислых почв являются торица полевая, пикульник, лютик ползучий, белоус, щучка, ситник, багульник, вереск, молиния, бухарник, купавка, щавель обыкновенный (кислый), хвощи [17]. Отдельные свойства почвы можно проверить экспресс-методами, приведенными в табл. 15, 16 [18].

Таблица 15

Экспресс-метод определения механического состава почвы

Таблица 16

Экспресс-метод определения влажности почвы

С помощью биоиндикаторов возможно оценить элементный состав почвы. Однако признаки избыточного содержания микроэлементов должны подтверждаться химико-аналитическим методом.

В городах часто в качестве антиобледенителя дорожного покрытия используют солевой раствор хлорида натрия или кальция. От больших количеств солей, стекающих на обочины дорог, начинает гибнуть растительность, причем вначале засыхает растительность, чувствительная к засоленности почв и среднечувствительная; при более сильном загрязнении остаются только солеустойчивые культуры. Чувствительными к засоленности почв являются следующие культуры: фасоль, ежевика, остролист, морковь, сельдерей, клубника, малина, яблоня, абрикос, миндаль, персик, слива, жасмин, роза. Солеустойчивые культуры - хлопчатник, сахарная свекла, солянка, пырей русский [17].

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИДОРОЖНОЙ ПОЛОСЫ

4.1. Сравнительная оценка биологических и других методов снижения автотранспортного загрязнения окружающей среды

Применение биологических методов снижения автотранспортного загрязнения окружающей среды на современном этапе развития науки предполагает:

- использование древесной, кустарниковой и травянистой растительности для защиты придорожной территории от химических и энергетических воздействий;

- определение уровня загрязнения по реакции живых организмов;

- снижение автотранспортного загрязнения окружающей среды и переработку отходов биотехнологическими методами.

Особенности биоиндикации уже были рассмотрены выше. Перспективность такого подхода заключается в простоте, невысокой стоимости, непрерывности получаемой информации во времени и пространстве. Недостатком биоиндикации является ограниченность возможностей и неточность информации.

Применение лесополос для защиты придорожной территории от химических и энергетических воздействий известно давно. Роль зеленых насаждений придорожной территории очень многообразна. Однако основные их функции - формирование оптимального микроклимата территории, снижение загрязненности атмосферы и шума. Ниже приводятся данные авторов, исследовавших весь спектр защитных функций зеленых насаждений [19].

Влияние лесополос на смягчение температурного режима открытых пространств в летние дни обусловливается двумя важными факторами:

- зеленые насаждения при правильном их размещении защищают поверхность стен, почвы и искусственных покрытий от прямого солнечного облучения;

- температура поверхности зеленого покрова, благодаря значительному отражению солнечных лучей и большому испарению влаги, не достигает таких высоких величин, как температура открытой почвы, искусственных покрытий и каменных стен.

Величина радиационно-температурного перепада на участках, открытых и защищенных древесными посадками, зависит от размера озелененной площади, а также густоты лиственного покрова деревьев и кустарников. Но даже небольшие участки, засаженные деревьями (скверы, бульвары и уличные однорядные насаждения), снижают радиационную температуру в тени деревьев и тем самым оказывают благоприятное влияние на человека, находящегося среди таких посадок. Однорядные уличные посадки при хорошем их состоянии снижают температуру воздуха по сравнению с открытым пространством на 2°С. Наблюдения над реакциями организма человека показали, что после получасового пребывания на открытой городской территории и последующем переходе в зону зеленых насаждений в дни с наличием прямой солнечной радиации частота пульса постепенно уменьшалась в среднем на 6 ударов, максимально - на 18 ударов в минуту; температура кожных покровов снижалась на 1,3-2,2°. При переходе с озелененной площадки на открытую у наблюдаемых иногда отмечались значительные сдвиги в работе сердечнососудистой системы: пульс учащался на 8-18 ударов в минуту, понижалось максимальное и минимальное кровяное давление на 5-10 мм ртутного столба, повышалась температура кожных покровов и тела, ухудшалось самочувствие, появлялась общая слабость, сердцебиение, головокружение, головная боль.

Наряду с указанным положительным влиянием зеленых насаждений на температурно-радиационный режим среды следует иметь ввиду, что при неправильной организации посадок в жаркие летние дни могут создаваться неблагоприятные микроклиматические условия. Такие случаи возможны при загущенных посадках с плохой проветриваемостью и высокой влажностью.

Зеленые насаждения влияют на влажность воздуха вследствие испарения влаги поверхностью листьев. Влажность воздуха среди зеленых массивов в летние жаркие дни на 18-22% выше, чем на открытых пространствах и в замкнутых городских кварталах. Известно, что на испарение 1 л воды требуется 600 ккал тепла. Этот процесс способствует понижению температуры листьев в нижних слоях кроны на 3-5° по сравнению с температурой окружающего воздуха, а также температуры воздуха на 2-3° по сравнению с открытым пространством. Повышенная влажность воздуха зеленых массивов может распространяться на прилегающие инсолируемые закрытые пространства.

В гигиеническом отношении следует учитывать большое значение пылезащитных и газозащитных свойств зеленых насаждений. Процесс обеспыливания воздушной среды зелеными насаждениями схематично можно представить в следующем виде. Пылевые частицы загрязненного воздуха, встречая на своем пути зеленый массив, в значительной степени выпадают среди зеленых насаждений под влиянием силы тяжести вследствие уменьшения скорости движения воздуха; некоторая часть пыли выпадает из воздуха, наталкиваясь на стволы, ветви и листья деревьев; наконец, значительное количество пыли задерживается на поверхности листьев и хвои. Запыленность воздуха среди зеленых насаждений в 2-3 раза меньше, чем на открытых городских территориях. Древесные насаждения уменьшают запыленность воздуха в вегетационный период примерно на 42%, при отсутствии лиственного покрова - на 37%. Необходимо отметить, что пылезащитная роль зеленых насаждений зависит от характера подстилающей поверхности: газон, щебень, асфальтобетон и т.д. Многими специалистами отмечено, что отсутствие ухоженного газона под деревьями значительно снижает осаждение пыли зелеными насаждениями, уменьшая их пылезащитную функцию в несколько раз.

Влияние древесных и кустарниковых пород на снижение концентраций в воздухе вредных газов происходит, главным образом, путем рассеивания этих газов в верхние слои атмосферы кронами деревьев и в некоторой степени путем поглощения газов листьями через устьица и клеточную оболочку листьев. Известно, что зеленые насаждения улавливают из атмосферного воздуха сернистый газ и накапливают его в виде сульфатов в своих тканях. Следовательно, растительность играет роль не только механического фильтра пыли, но и химического фильтра, например, для диоксида серы и ряда других газов.

Ценной гигиенической особенностью зеленых насаждений является их способность снижать интенсивность шума, действующего на человека. В крупных городах с развитой транспортной инфраструктурой городской шум оказывает неблагоприятное влияние на организм человека: центральную нервную систему, артериальное давление, деятельность внутренних органов. Однако снижение уровня шума зелеными насаждениями возможно только при обязательном выполнении ряда условий: наличия широкой полосы озеленения не менее 30-40 м, проекта озеленения, выполненного с соблюдением правильного подбора газо- и пылеустойчивых видов насаждений, что обусловит их длительную сохранность; наличия у выбранных видов деревьев густой кроны; многоуровневым характером посадок и т.д. Известно, что защита от шума более эффективна при использовании шумозащитных экранов. Но повсеместное распространение шумозащитных экранов нельзя считать удачной заменой деградирующей растительности. Преимущество лесозащитных полос по сравнению с шумозащитными экранами заключается в более широком спектре действия.

Таким образом, зеленые насаждения не только препятствуют распространению шума, газопылевых выбросов, но и осаждают взвешенные частицы, играя роль фильтров, регулируют кислородный баланс, создают оптимальный микроклимат территорий и лучше воспринимаются визуально, так как благоприятно воздействуют через органы чувств (зрения, обоняния) на центральную нервную систему человека, улучшая его самочувствие. Кроме того, зеленые насаждения обладают фитонцидными свойствами, которые способствуют подавлению болезнетворных бактерий, содержащихся в городском воздухе. Летучие выделения растений убивают туберкулезную палочку, белый и золотистый стрептококк, гемолитический стрептококк, холерный вибрион и т.д. Бактерицидные свойства хвойных растений значительно сильнее лиственных [20].

Не менее перспективным направлением снижения автотранспортного загрязнения окружающей среды являются биотехнологические методы, которые основаны на способности ферментов катализировать широкий спектр химических реакций «в мягких условиях». До сих пор не удается создать катализаторы, превосходящие по специфичности и эффективности биологические. Биотехнологические процессы в отличие от химических протекают в «мягких условиях»: при нормальном давлении и рН среды, а также при физиологических температурах. Они в меньшей степени загрязняют окружающую среду отходами и побочными продуктами. Кроме того, они мало зависят от климатических и погодных условий, не требуют больших земельных площадей, не нуждаются в применении пестицидов, гербицидов и других чужеродных для окружающей среды веществ.

К недостаткам биотехнологий можно отнести низкую скорость процессов, сложность их регулирования и контроля, а также ограниченность применения. Несмотря на это, биологические технологии в развитых государствах бурно развиваются.

Основными преимуществами биологических методов защиты являются: простота и естественность, невысокая стоимость, многофункциональность. Кроме того, сегодняшний уровень развития науки дает реальную возможность избавиться от недостатков технологии с помощью методов генной инженерии. Важно отметить, что, приобретя новые свойства, измененные или созданные, организмы могут не вписаться в существующие экосистемы. Стоимость таких организмов неизбежно увеличится. Возможность применения методов биотехнологии для снижения автотранспортного загрязнения придорожной полосы и адекватная современным условиям методика озеленения дорог будут рассмотрены ниже.

4.2. Методы очистку воздуха, воды и почвы

Методы очистки воздуха

Для очистки воздуха применяют различные методы: физические, химические и биологические. Среди физических методов - абсорбция примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями. Наиболее распространенными химическими методами очистки воздуха являются озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование. Биологические методы очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно и пока в ограниченных масштабах. Для адекватного восприятия этого метода очистки воздуха ниже приведены данные Т.Г. Воловой [21].

Биологические методы очистки воздуха базируются на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов: СО₂ и Н₂О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные С₁ - соединения. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями СО. Представители рода Nocardia эффективно разрушают стирол и ксилол; Hyphomicrobium - дихлорэтан; Xanthobacterium - этан и дихлорэтан; Mycobacterium - винилхлорид.

Для повышения биосинтетического потенциала микроорганизмов - деструкторов токсичных веществ - используются методы традиционной селекции и отбора, а также новейшие достижения клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число токсичных загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и, следовательно, деструктурирующую способность. Для разрушения трудноутилизируемых соединений в ряде случаев микроорганизмы целесообразно адаптировать к таким субстратам и только после этого вводить их в рабочее тело действующих установок. Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем.

Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует токсичные вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.

В качестве носителя для фильтрующего слоя используют природные материалы: компост, торф и др. Эти материалы содержат различные минеральные соли и вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок. Воздух, подлежащий очистке, подается вентилятором в систему, проходит через фильтрующий слой в любом направлении, снизу вверх или наоборот. При этом воздух должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно. В связи с этим требуется однородность слоя и определенная степень влажности. Оптимальная для очистки воздуха влажность фильтрующего слоя составляет 40-60% от массы материала носителя. При недостаточной влажности материала фильтрующего слоя в нем образуются трещины, материал пересыхает. Это затрудняет прохождение воздуха и снижает физиологическую активность микроорганизмов. Увлажнение материала обеспечивается распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще слоя происходит образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем и падает эффективность очистки. В толще фильтрующей массы не должно образовываться более плотных зон или комков материала, что возможно при использовании компоста, так как при этом снижается удельная площадь поверхности фильтрующего слоя. В материале не должно возникать температурных градиентов, а также не должно происходить резких изменений рН среды. Поэтому температурный режим в биофильтре поддерживается постоянным. Для этого воздух, подаваемый в биофильтр, подогревается, установка в целом термостатируется.

Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует принимать комплекс специальных мероприятий. Так, воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности 95-100%. При заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в материал добавляют гранулы (диаметром 3-10 мм) из синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек, активированный уголь. Масса добавок составляет от 30 до 70% от массы фильтрующего материала и равномерно распределяется по всему слою. Для предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве 2-40 %) от массы носителя. С целью избежания ситуаций, когда микроорганизмы, входящие в состав рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсичными веществами в результате, например, залповых выбросов, в материал вносят активированный уголь.

Скорость удаления вредных примесей из воздуха в процессе биоочистки может лимитироваться как диффузией веществ из газовой фазы в биокаталитический слой, так и скоростью протекания биохимических реакций в микробных клетках. При высокой входной концентрации вредных веществ в воздухе процесс их деструкции в ходе прохождения потока через фильтрующий слой неравномерен. Сначала разрушаются легкодоступные вещества и только в конце процесса начинается разрушение труднодеградируемых соединений. Так, при присутствии в воздухе в качестве вредных примесей бутанола, этилацетата, бутилацетата, толуола последний утилизируется микроорганизмами только после окисления всех остальных веществ.

Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки достигаются спустя некоторое время после запуска биофильтра. Требуется некоторый период для созревания и адаптации микробиологического ценоза. Длительность периода адаптации зависит от концентрации веществ в воздухе и микробного пейзажа в диффузионном слое и может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Концентрация микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять. Длительность циклов достаточно велика и составляет несколько лет.

Принцип функционирования биоскрубберов отличается тем, что процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках. На первом этапе в абсорбере токсичные вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород растворяются в воде. В результате воздух выходит очищенным, а загрязненная вода далее следует на очистку. На второй стадии загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке происходит по обычной схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические вещества окисляются микроорганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов с образованием биомассы.

Биореактор с омываемым слоем. Рабочим телом такой биосистемы являются иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с иммобилизованными микробными клетками. Биослой омывается водой, содержащей необходимые для развития клеток минеральные вещества. Загрязненный воздух проходит через этот биослой. При этом вещества, подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку, покрывающую частицы биокатализатора и далее окисляются микроорганизмами. Скорость деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой фазы в жидкую, а также скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость диффузии, в свою очередь, зависит от природы токсичных веществ, величины их концентраций. Стационарный режим биореактора с омываемым слоем после его запуска наступает через 5-10 дней. При использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам микроорганизмов этот срок может быть сокращен до нескольких часов. Периодически биослой очищают от избытка биомассы и наполняют свежими гранулами. Основные требования, предъявляемые к установкам биологической очистки газов, заключаются в простоте и эксплуатационной надежности конструкции, высокой удельной производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки измеряется отношением объема воздуха, прошедшего через нее за 1 ч, к общему объему установки.

Масштабы промышленного применения методов биологической очистки воздуха в настоящее время незначительны. Наиболее распространенным типом установок являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоемки, требуют незначительного расхода воды. Но производительность биофильтров составляет всего 5-400 м³ очищаемого воздуха на 1 м² поперечного сечения фильтрующего слоя в час. Это определяется низким содержанием микроорганизмов в единице объема материала фильтрующего слоя. Высота биофильтров из-за требований однородности структуры и газодинамических ограничений не превышает 1 м. Поэтому они занимают большие площади (от 10 до 1600 м²). Степень очистки воздуха в биофильтрах достаточно высокая. Например, используемые в сельском хозяйстве Германии биофильтры обеспечивают 90%-ную степень очистки воздуха от дурнопахнущей органики. Повышение эффективности работы биофильтров достигается созданием условий для более равномерного прохождения воздуха через рабочее тело установки. Так, фирмой «Гербург Вейз» (Германия) разработан биофильтр, в котором сверху вниз противотоком к вводимому снизу воздуху проходит тонко измельченный компост, полученный при переработке мусора и шлама. Компост выгружается на дно установки и транспортером вновь подается в верхнюю часть. Такой движущийся биологически активный компост обеспечивает равномерное прохождение через него очищаемого воздуха; степень извлечения из воздуха n-алканов, толуола, сероводорода составляет 96,7 - 99,9%. Повышение эффективности работы биофильтров связано с повышением энергозатрат на процесс биоочистки.

Биоскрубберы по сравнению с биофильтрами занимают меньшую площадь, так как представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты у них выше, так как процесс биоочистки воды требует существенных затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе хорошо растворимых токсичных веществ.

Перспективными для очистки воздуха являются биореакторы с омываемым слоем. Эти установки, имея высокую степень очистки, характеризуются более высокой удельной производительностью (несколько тысяч кубических метров очищаемого воздуха в час). Эффективны такие установки для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень очистки воздуха в реакторе с иммобилизованными на активированном угле микроорганизмами от ацетона, бутанола, этилацетата достигает 90%.

Известны и другие методы биологической очистки воздуха, например, на основе растущей суспензии микроорганизмов.

Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах уже применяются биологические процессы для очистки газовоздушных выбросов. Так, фирма «Квартэк» (Россия) выпускает универсальный биофильтр предназначенный для очистки вентиляционных выбросов от органических соединений (стирола, ксилола, толуола, бензола, этанола, этилацетата, фенола, формальдегида и др.) промышленных предприятий. Основой биофильтра является специально полученная культура микроорганизмов (биомасса), которая окисляет органические соединения до углекислого газа и воды. Срок службы биомассы практически не ограничен. Установка биологической очистки работает при комнатной температуре, малогабаритна, характеризуется низкой энергоемкостью, экологической чистотой. Внешний вид биофильтра представлен на рис. 7, а его технические характеристики приведены ниже.

Рис. 7. Конструкция биофильтра для очистки воздуха

Производительность биофильтра исключает возможность его применения для очистки воздуха в тоннелях, однако вполне приемлемой может быть установка биофильтра на АТП, базах дорожной техники, АБЗ.

Методы очистки воды и почвы

Биологические методы очистки воды находят все большее применение. Эти методы характеризуются простотой и эффективностью. Загрязненные воды собирают в отстойниках или прудах со слабым течением, в которых происходит развитие микроорганизмов и водорослей. Биологический метод очистки воды основан на способности микроорганизмов использовать в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие в состав загрязненных вод. Достоинства данного метода заключаются в возможности удаления из стоков широкого спектра органических и неорганических веществ, простоте аппаратурного оформления, относительно невысоких эксплуатационных расходах. В ходе очистки необходимо строго соблюдать технологический режим и учитывать чувствительность микроорганизмов к высоким концентрациям загрязнителей, что требует предварительного разбавления стоков.

Многие микроорганизмы способны накапливать металлы в больших количествах. В ходе эволюции в них сформировались системы поглощения отдельных металлов и их концентрирования в клетках. Микроорганизмы, помимо включения в цитоплазму, способны также сорбировать металлы на поверхности клеточных стенок, связывать их метаболитами в нерастворимые формы, а также переводить в летучую форму. Селекция в этом направлении и применение новых генноинженерных методов позволяют получать формы, активно аккумулирующие металлы, и на их основе создавать системы биоочистки.

Таким образом, микроорганизмы накапливают растворенные металлы внутриклеточно или, выделяя специфические продукты обмена, переводят их в нерастворимую форму и вызывают осаждение. С помощью биосорбции даже из разбавленных растворов возможно 100%-ное извлечение свинца, ртути, меди, никеля, хрома, урана и 90%-ное - золота, серебра, платины, селена [21].

Внутриклеточное накопление металлов может быть очень значительным. Так, установлена способность водорослей, дрожжей и бактерий эффективно сорбировать уран из морской воды. Один из способов биосорбции - пропускание раствора металлов через микробный биофильтр, представляющий собой живые клетки, сорбированные на угле. Выпускаются также специальные биосорбенты, например «Биосарбент М» (Чехия), изготовленный в виде зерен размером 0,3-0,8 мм (микробных клеток и носителя); сорбент используют в установках, работающих на ионообменных смолах. Возможно также производство сорбентов на основе микробных полисахаридов. Такие сорбенты можно широко применять в различных условиях, включая природные, они просты в употреблении. Металлы на следующей стадии после концентрирования микроорганизмами следует извлечь из микробной биомассы. Для этого существуют различные способы: недеструктивные, а также экстракция путем разрушения клеток.

Трансформация химических соединений в почвенной среде определяется комплексом физических, химических и биологических факторов. Деградация ксенобиотиков может происходить в результате физических и химических процессов и существенно зависит от типа почвы, ее структуры, влажности, температуры и др. Ксенобиотики временно или постоянно накапливаются в окружающей среде и отрицательно влияют на все живое. Биологическая трансформация соединений, попавших в окружающую среду, может протекать в различных направлениях, приводя к минерализации, накоплению или полимеризации. Но биологическая деградация ксенобиотиков оправдана только тогда, когда происходит их полная минерализация, разрушение и детоксикация [21].

В природных условиях на ксенобиотики воздействуют микробные сообщества. Благодаря гетерогенности природных микробных сообществ, ксенобиотики в принципе могут подвергаться биодеградации, а наличие в микробных сообществах взаимосвязанных метаболических путей разрушения токсинов является основой для борьбы с загрязнением окружающей среды. Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих токсичных соединений значительны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических соединений время до начала их трансформации (так называемый адаптационный период микроорганизмов по отношению к данному субстрату) значительно короче по сравнению с первым попаданием этого соединения. В течение этого периода микроорганизмы в ходе адаптации к токсическому соединению как субстрату селектируются по способности деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные популяции, которые могут сохраняться в почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта. Поэтому к моменту нового поступления этого соединения в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные разрушить токсикант. Таким образом, после попадания ксенобиотиков в почвенную среду из нее можно выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и далее вести селекцию на увеличение скорости деградации. При попадании новых веществ в окружающую среду может происходить природное генетическое конструирование, в результате которого возникают микробные формы с новыми катаболическими функциями. Таким образом, природные генетические механизмы обмена информации позволяют получать эффективные штаммы -деструкторы ксенобиотиков.

В целом биологическую очистку, т.е. удаление загрязнителей посредством стимуляции деятельности биоты в почвах и водоемах, принято называть биоремедиацией (bio - жизнь, remedio - лечение). Это может быть биостимуляция природных микроорганизмов (микробного ценоза) путем внесения удобрений непосредственно в очищаемый участок природной среды или накопления в лаборатории препарата тех микроорганизмов загрязненного ценоза, которые способны наиболее эффективно утилизировать данный загрязнитель. Это может быть, например, улучшение природного ценоза посредством внесения специализированных микроорганизмов, которые ранее были выделены и отселектированы микробиологическими методами и размножены в виде биопрепарата. Во всех случаях биоремедиация предполагает создание в очищаемом участке среды высоких концентраций биогенов (удобрений) и клеток активно размножающихся микробных сообществ (бактерий, актиномицетов, грибов и микроводорослей). Ниже приводится более подробная оценка биоремедиации некоторыми авторами [22].

Применение активных штаммов микроорганизмов-деструкторов, выделение и использование устойчивых к загрязненным водам микроводорослей, введение в очищающий консорциум высших водных растений привело к созданию новой комплексной биотехнологии очистки и восстановления водоемов, загрязненных нефтепродуктами. Экотехнология позволяет проводить биоремедиацию водоемов, подвергнутых аварийному загрязнению нефтепродуктами, и водоемов, систематически в течение многих лет загрязняемых нефтесодержащими стоками.

Фиторемедиация (использование фотосинтезирующих организмов) позволяет увеличивать энергетические ресурсы очищаемой экосистемы при умеренном использовании органических удобрений для стимуляции микробной деятельности. Она наиболее близка к природным процессам. Опасна ли возможная в таких случаях эвтрофикация - увеличение локальных концентраций удобрений и стимуляция массового размножения микроорганизмов? Опыт позволяет утверждать, что временную эвтрофикацию водоемов и почв можно контролировать и использовать для увеличения продуктивности ценоза. Поэтому фиторемедиация - это контролируемая эвтрофикация водоема для разрушения в нем примесей ненормально высоких концентраций углеводородов. Учитывая, что в любой, даже самой чистой (например, байкальской) воде, предполагается наличие малых концентраций углеводородов и аборигенной микрофлоры, способной к их разрушению, фиторемедиацию следует осуществлять как биотехнологию, основанную на использовании природных процессов.

Активизация процесса биологического разрушения нефтепродуктов требует интенсификации бактериального разложения углеводородов и организации в пространстве процесса переработки этой бактериальной биомассы в пищевых цепях.

Биоремедиация предполагает разработку технологий, задачей которых является использование биохимического потенциала аборигенных, адаптированных или модифицированных биологических систем, прежде всего микроорганизмов, для деградации или детоксикации поллютантов. Биоремедиация обладает большими потенциальными возможностями для предотвращения загрязнения окружающей среды и борьбы с уже имеющимся загрязнением.

По сравнению с другими методами очистки окружающей среды биоремедиация гораздо дешевле. При рассеянном загрязнении, как в случае с пестицидами, применяемыми на огромных площадях, загрязнениями нефтью и нефтепродуктами территорий Западной Сибири, тринитротолуолом, которым загрязнены полигоны и стрельбища, альтернативы биоремедиации просто нет.

Процессы биоремедиации иногда могут осуществляться природными микроорганизмами. Задача ученых в этом случае заключается в стимуляции биодеградативной активности этих микроорганизмов. Если в почве или воде, загрязненной ксенобиотиками, отсутствуют микроорганизмы, способные к деградации данных соединений, целесообразна интродукция туда микроорганизмов-биодеструкторов. В отличие от промышленной биотехнологии, где имеется возможность выдерживать все параметры технологического процесса, биоремедиация, как правило, осуществляется в буквальном смысле этого слова в открытой системе, т.е. в окружающей среде. Поэтому в гораздо большей степени успех процесса биоремедиации зависит от критической массы знаний, опыта, методов, и, наконец, разнообразия микроорганизмов, способных осуществлять реакции биодеградации. В известной мере это будет всегда «ноу-хау», определяемое вышеперечисленными обстоятельствами.

Разработка теоретических основ процессов биоремедиации, самих технологий и их осуществление требуют междисциплинарного подхода и участия специалистов в области генетики и молекулярной биологии, науки об окружающей среде, инженерных дисциплин. Так, например, создан новый микробный препарат«Деворойл», реализующий биотехнологию очистки, основанную на применении микробных ассоциаций, активно утилизирующих углеводороды нефти, и позволяющую в максимально короткий срок очищать от загрязнения нефтью и нефтепродуктами воду и почву [23]. Специальные добавки в его состав значительно активизируют процесс деструкции нефти. Простота технологии применения препарата связана с использованием обычных механизированных средств для распыления, г. на больших площадях - авиации. Для очистки ливневых сточных вод от нефтяных загрязнений препарат наносится на поверхность плавающих биофильтров, используемых на очистных сооружениях. Области применения препарата «Деворойл»:

- очистка от загрязнения нефтью и нефтепродуктами воды, содержащей более 5% нефти, и почвы с нефтезагрязнением свыше 20 кг/м³;

- очистка от нефтезагрязнений грунтов на территориях аэропортов, депо, автозаправочных и моечных станций, складов ГСМ и хранилищ нефти и нефтепродуктов;

- очистка поверхностных (ливневых) сточных вод от углеводородных загрязнений.

Преимущества использования препарата «Деворойл»:

- высокая активность окисления углеводородов различных классов;

- возрастание эффективности очистки за счет действия препарата не только на границе водонефтяного контакта, но и в толще загрязнителя благодаря подобранной ассоциации гидрофильных и липофильных микроорганизмов, что дает выигрыш во времени, необходимый для нейтрализации загрязнения;

- эффективность использования в природных и антропогенных средах с соленостью до 150 г/л; в широких диапазонах рН среды (2-9), а также в условиях резких колебаний температуры и при значительном химическом загрязнении;

- простота и экономичность (низкие затраты) при высокой эффективности.

5. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ НА ПРИДОРОЖНЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

5.1. Обоснование пространственной конфигурации экосистемы

Формирование искусственной экосистемы начинается с определения ее размеров на основе оценки зоны влияния дороги. В этой зоне значения концентраций загрязняющих веществ должны находиться в пределах ПДК (до 600-3000 м в обе стороны от обочины дороги). Территорию, в пределах которой вредные для человека воздействия могут превысить предельно допустимые, называют защитной полосой (до 300 м). Здесь не допускается размещение жилых домов и приусадебных участков. В составе защитной полосы может быть выделена территория с систематическим превышением предельно допустимых норм загрязнения - резервно-технологическая полоса (до 30 м) [12].

Конечно, формировать искусственную экосистему шириной 3000 м от обочины дороги нет необходимости. Обычно создают искусственную защитную полосу с древесно-кустарниковыми посадками шириной 10-30 м. Проектирование лесополосы необходимо вести с учетом оптимальной пространственной конфигурации ландшафта. На основании требований комплексной защиты соответствующих придорожных территорий установлены следующие основные параметры защитных зеленых насаждений [24]:

• ширина полосы - не менее 10 м;

• высота деревьев - не менее 7-8 м;

• высота кустарников - не менее 1,5-2 м.

Поперечный профиль защитной полосы должен иметь форму треугольника с более пологой стороной, обращенной к источнику загрязнения (т.е. к проезжей части дороги). Схема размещения деревьев и кустарников в защитной полосе показана на рис. 8 [24].

Рис. 8. Схема шумо-, газо-, пылезащитных насаждений:

ряды от дороги:

1 - низкий кустарник, 2, 6 - высокий кустарник; 3, 5 - сопутствующая древесная порода; 4 - главная древесная порода

В конструкции зеленых насаждений одна или две породы деревьев являются основными, образующими костяк полосы и ее верхний ярус. Остальные дополнительные породы обеспечивают быстрый рост основных пород путем затемнения почвы, образуя нижний ярус. При этом расстояния между деревьями и кустарниками в ряду и между рядами принимаются по табл. 17 [25].

Таблица 17

Расстояния между деревьями и кустарниками в ряду и между рядами

Рис. 9. Удержание пыли защитными лесонасаждениями:

а - при загущенной посадке; б – при разреженной посадке

Необходимо отметить, что описанный поперечный профиль лесополосы не является единственно правильным. Несколько иная пространственная конфигурация защитных насаждений представлена на рис. 9, где продемонстрирован отрицательный эффект от излишней загущенности посадок, так как в этом случае загрязненный воздух огибает их сверху, образуя завихрения с подветренной стороны [26]. При этом оседает только часть пыли. Напротив, если деревья будут посажены достаточно редко, так, чтобы ветер свободно проходил через них, то его скорость будет настолько снижаться, что осядут частицы диаметром более 40 мкм. Более мелкие частицы будут наталкиваться на листья, иглы и сучья. Последние в свою очередь будут играть роль тканевых фильтров, изменяя направление потоков воздуха и осаждая инертные частицы пыли. Таким образом, в зимний период деревья, лишенные листьев, также выполняют роль фильтра (из общего пылесброса на долю потерявших зеленый покров деревьев зимой приходится 40%, летом - 60%) [26]. Помимо всего перечисленного плотные посадки деревьев ослабляют освещенность нижних этажей зданий, могут отрицательно влиять на безопасность транспортных средств и пешеходов.

Пространственная конфигурация защитных насаждений оказывает определенное влияние и на степень снижения шума лесополосой. Максимальное снижение уровня шума дает шахматная посадка деревьев, обеспечивающая фронтальную сомкнутость лесополосы. Улучшить ситуацию помогает создание газонов между полотном дороги и тротуарами, так как они меньше отражают звук, чем асфальтобетон и открытый грунт. При правильной посадке шумозащитная способность деревьев проявляется и зимой за счет сохранения снега на ветвях. Хорошо поглощает шум вертикальное озеленение зданий, которое сокращает поверхность отражения звука, одновременно увеличивая звукопоглощение стен в 6-7 раз. В результате защитная лесная полоса может иметь показатели, приведенные в табл. 18 [24].

Таблица 18

Снижение уровня загрязнения среды защитной полосой

В результате неправильной планировки зеленых насаждений (отсутствия нормальной освещенности) может происходить деформация кроны и стволов деревьев (при затенении улиц домами в районах с многоэтажной тесной застройкой). Мало света достается растениям и на теневой стороне улиц, идущих в широтном направлении (с запада на восток) [27].При высаживании зеленых насаждений максимально допустимое расстояние от здания до линии посадки должно составлять не менее 1,5 м для кустарников и 5 м для деревьев; высокорастущие деревья и густые кустарники должны обеспечивать оптимальный инсоляционный режим придомового пространства. Взаимное расположение деревьев и кустарников по отношению к жилым домам, инженерным сооружениям и коммуникациям представлено ниже [28].

Оптимальная пространственная конфигурация лесополосы может быть создана только при наличии необходимого расстояния от дороги до красной линии. Данное условие не всегда соблюдается. Так, поперечный профиль Ленинградского проспекта в Москве неоднороден на различных участках. Расстояние от бордюра до фундамента здания по обеим сторонам автомагистрали на отдельных участках составляет 14-21 м, что дает возможность озеленить данную территорию. Но на других участках расстояние от бордюрного камня до фундамента здания не превышает 6,6 м.

Выше приведен сравнительный анализ биологических и инженерных методов защиты придорожной территории. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, поэтому максимальный средозащитный эффект дает комбинация обоих методов защиты. Примером может служить совместное использование зеленых насаждений и земляных валов или экранов, приведенных на рис. 10 [12].

Рис. 10. Примеры (а, б, в) комплексного применения защитных сооружений:

1 - земляной вал; 2 - защитный экран; 3 - зеленые насаждения; 4 - нежилые здания и сооружения

В настоящее время существует большое количество проектов, сочетающих биологические и инженерные методы защиты придорожной территории. Так, например, бетонно-земляной вал с озеленением предназначен для защиты от шума и других транспортных загрязнений в населенных пунктах. Он выполняет также декоративные функции и способствует озеленению жилых массивов (рис. 11).

Рис. 11. Бетонно-земляной вал с озеленением:

а - варианты конструкции; б - элементы конструкции; 1 -угловой элемент высотой 50; 62,5 или 75 см с запорной (замыкающей) балкой и зажимной частью; 2 - угловой консольный элемент высотой 25-37,5 см с несущей балкой; 3 - угловой элемент на сопряженной с фундаментом опоре и неустойчивой зажимной частью

Эффективность защиты бетонно-земляного вала с озеленением от автотранспортных загрязнений в населенных пунктах представлена в табл. 19 [25].

Таблица 19

Эффективность защиты бетонно-земляного вала с озеленением от транспортных загрязнений в населенных пунктах

5.2. Определение видового состава биоты придорожной территории

Эффективность защиты придорожной территории от транспортных загрязнений зависит не только от пространственной конфигурации лесополосы, но и от ее видового состава. Формирование видового состава биоты необходимо проводить по двум основным направлениям:

- создание максимального средозащитного эффекта;

- обеспечение устойчивого выполнения средозащитных функций в агрессивных условиях среды придорожной территории.

Условия среды на придорожной территории можно улучшить путем:

- создания благоприятного водно-воздушного и теплового режимов почвы;

- улучшения питательного режима почвы;

- борьбы с засоренностью почвы.

В случае сильного загрязнения придорожной полосы тяжелыми металлами, осложняющими произрастание на ней требуемых видов растительности, возникает необходимость мелиорации почвы. Способы, направленные на защиту растений, основаны на выщелачивании легкоподвижных элементов и переводе микроэлементов в почве в трудноподвижные формы. Рекультивация загрязненных тяжелыми металлами почв обычно основана на применении извести и фосфатов с добавкой органических веществ. Кроме того, существуют и механические способы мелиорации почв: перемешивание загрязненного верхнего слоя с незагрязненным грунтом, засыпка грунтом поверх загрязненной почвы или снятие ее верхнего загрязненного слоя [7]. Так, на некоторых участках вблизи третьего транспортного кольца в Москве необходимо проводить очистку почв из-за их сильной загрязненности. Весь загрязненный слой земли (толщиной до 1 м) будет заменен плодородным растительным грунтом из совхозов Московской области.

Создание максимального средозащитного эффекта может быть достигнуто при наличии высокого уровня биоразнообразия придорожной экосистемы. Помимо различных видов деревьев в лесопосадках должны быть кустарники, чтобы заполнить пространство между кронами деревьев и почвой. Для удержания осевшей пыли почва должна быть покрыта дерном или подстриженным газоном. Наблюдения над различными участками почв и подсчеты частиц пыли показали, что их число в воздухе над открытыми лужайками снижается более, чем на 50% [26];. Осаждение придорожной пыли необходимо потому, что вместе с ней в воздух попадает основная масса микроорганизмов. В крупных населенных пунктах бактериальное загрязнение воздуха выше, чем в пригородах, (табл. 20). Причем концентрация бактерий в примагистральном воздухе наибольшая. Существенное значение в этом вопросе имеет видовой состав. Следует учитывать, что хвойные породы вследствие увеличенной поверхности контакта (адсорбции) осаждают пыли в 1,5 раза больше на единицу массы листа по сравнению с лиственными.

Таблица 20

Содержание бактерий в воздухе Москвы

Данная средозащитная функция лесополос не может быть безвредной для растений, ее формирующих. Большинство растений и деревьев подвергаются негативному воздействию транспортных средств как посредством атмосферных выбросов, так и через почву. Растения обладают определенными защитными функциями от неблагоприятных воздействий, в том числе и от газопылевых выбросов, содержащих токсичные компоненты. Их толерантность неоднородна в зависимости он вида растения. Для задернения и окультуривания обочин дорог с выраженным краевым эффектом перспективным является использование посевов устойчивых видов газонных трав. Из многих видов многолетних газонных трав только два вида злаковых трав (культурный вид райграса пастбищного и дикорастущий галофит бескильницы тончайшей) показали повышенную солеустойчивость [29]. Высокую чувствительность к действию солей обнаружили полевица белая, мятлик луговой и овсяница красная, которые используются для составления газонных травосмесей.

Таким образом, в придорожной зоне необходимо формировать искусственные экосистемы, поскольку естественные не выдерживают автотранспортного воздействия. Формирование искусственных экосистем необходимо проводить с учетом устойчивости биологических видов, совместимости растений (береза - тополь, клен - сосна, липа - ясень, лиственница, тополь - вяз мелколистный) [30].

Исследования большого числа видов деревьев и кустарников Москвы, а также результаты мониторинга состояния зеленых насаждений города позволили сформировать предложения по ассортименту древесных насаждений с максимальным декоративным и оздоровительным эффектом, учитывая данные об устойчивости и санитарно-гигиенических свойствах различных видов растений [31]. В табл. 21 перечислены виды и формы древесных растений, которые рекомендуются для озеленения в различных категориях насаждений Москвы.

Согласно данным тех же исследователей [31], при озеленении улично-дорожной сети необходимо учитывать использование химических веществ для борьбы с зимней скользкостью. Поэтому стоит отказаться от высадки древесной растительности в непосредственной близости от дорожного полотна. В рядах деревьев в первую очередь можно использовать наиболее устойчивые виды лип - широколистную и голландскую с аккуратной густой кроной, крупной листвой, более длительным, чем у мелколистной периодом вегетации и издавна считающуюся самой подходящей для города [31].

Таблица 21

Рекомендуемый ассортимент древесных растений для озеленения разных категорий насаждений Москвы

____________________

+ - рекомендуется для озеленения в данной категории насаждений без ограничений;

♦ - рекомендуется для озеленения в данной категории насаждений с ограничениями;

- - не рекомендуется для озеленения в данной категории насаждений;

* - рекомендуется для озеленения улиц с ограничением;

Δ - рекомендуется для озеленения улиц без ограничений; о - рекомендуется для озеленения бульваров с ограничением;

о - рекомендуется для озеленения магистралей с ограничением.

Таким образом, основываясь на вышеизложенном материале, можно выделить следующие критерии видового отбора для экосистемы придорожной полосы:

1) устойчивость к газопылевым выбросам (табл. 22) [24], тяжелым металлам, солевому стрессу (табл. 23) [24], изменению кислотности почвы, уплотнению и подтоплению почвы, вредителям и болезням растений (табл. 24) [2], электромагнитным полям и тепловым аномалиям;

2) способность создать придорожный ландшафт, положительно действующий на восприятие водителем условий дороги;

3) максимальная снего- и пылезащита;

4) снижение шума;

5) регуляция кислородного баланса;

6) восстановление почвенного плодородия (аккумуляция тяжелых металлов биомассой);

7) фиксированные пределы роста биомассы (по аналогии с английской газонной травой, которая растет только на 5-6 см.).

Таблица 22

Характеристика древесных пород и кустарников по классам газоустойчивости

Таблица 23

Характеристика древесных пород и кустарников по степени солевыносливости

Таблица 24

Устойчивость древесных и кустарниковых пород к болезням и вредителям

Предъявляемые требования не являются чрезмерными, так как несмотря на относительно небольшие материальные затраты по формированию защитной лесополосы, будет жаль ее потерять, к примеру, из-за слабой устойчивости к болезням или вредителям.

Кроме всего вышеперечисленного, при формировании видового состава лесополосы необходимо учитывать природно-климатические условия в зоне проектирования автомобильной дороги (табл. 25) [24].

Таблица 25

Рекомендуемый ассортимент древесных пород и кустарников для создания защитных насаждений вдоль автомобильных дорог в различных природных зонах

_____________________

* - пригодность древесное породы и кустарника для данной зоны;

- непригодность древесной породы и кустарника для данной зоны.

5.3. Надежность и эффективность функционирования экосистемы

Конструирование искусственной экосистемы предполагает после ее создания специализированный уход, поскольку неестественное ее происхождение исключает самодостаточность, которую можно наблюдать в природе. Кроме того, воздушная и почвенная среда придорожной территории резко отличаются от естественных условий, в которых формировались наследственные биологические свойства используемых для озеленения растений. Следовательно, отсутствие грамотного поддержания искусственной экосистемы на высоком функциональном уровне увеличивает вероятность быстрой ее деградации.

Нормативное содержание зеленых насаждений предполагает обязательный полив, внесение удобрений, рыхление, мульчирование и утепление почвы, а также различные виды обрезки кроны. Однако методы создания комфортных условий для жизни растений могут широко варьировать.

Применения биологически активных веществ

Продлить время функционирования придорожных лесополос возможно при использовании биологически активных веществ -удобрений и регуляторов роста растений. В городском озеленении с помощью биологически активных веществ можно увеличить биомассу растений, повысить декоративность и устойчивость к болезням, вредителям и неприятным условиям произрастания. Исследования в этом направлении ведутся достаточно давно и уже имеются определенные результаты [32].

Биологически активные вещества должны быть не токсичны для объектов окружающей среды, быстро инактивироваться в природных условиях, не накапливаться в зеленых частях растений, обеспечивать безопасность для людей и теплокровных животных.

При внесении в корневую зону растений при их посадке используют препараты группы гуматов - гумат натрия и оксигумат. Они усиливают процессы корнеобразования у деревьев, что повышает количество поглощенных деревьями из почвы минеральных солей и воды. Гуминовые вещества способствуют более полному поглощению СО₂ из воздуха, усиливают окислительно-восстановительные реакции растений, стимулируют процессы синтеза в них, обеспечивают мобилизацию питательных веществ в почве, оказывают избирательное действие на гидрофильные, ионообменные и массообменные характеристики почвенных грунтов. Применение гидрогумата способствует повышению устойчивости растений к заболеваниям и неблагоприятным условиям окружающей среды.

При внесении в почву в период вегетации растений положительное действие на растения оказали препараты группы гуматов - симбионт-универсал и гербамин. Гербамин - активатор роста растений, полученный путем биоферментации лекарственных трав и содержащий азот, фосфор, калий, микроэлементы и регулятор роста гибберсиб. Гербамин является препаратом растительного происхождения и питательные элементы, входящие в его состав, находятся во взаимосвязанной и водорастворимой форме. Это позволяет использовать гербамин в качестве быстродействующего удобрения при корневом и внекорневом внесении; стимулятора роста корневой системы и роста биомассы деревьев и кустарников, а также как адаптера к неблагоприятным условиям произрастания. Входящие в препарат лаванда и шалфей выполняют защитные функции и способствуют снижению поражаемости обработанных растений возбудителями заболеваний.

Симбионт-универсал - жидкий биологический стимулятор роста широкого спектра действия. Действующее вещество -продукты метаболизма грибов-эндофитов корней женьшеня, содержащие комплекс аминокислот, ауксинов, ферментов и других активных веществ. На рост и развитие растений препарат оказывает как прямое, так и опосредованное действие путем активизации роста корневой системы и интенсивного развития в ней симбионтных грибов. Особенно эффективно его применение в самом начале роста растений, когда в связи с еще слабым развитием эндофина в корнях растения испытывают недостаток в фитогармонах. Положительное действие препаратов, рекомендованных для внесения в почву в период вегетации, проявляется в увеличении годичных приростов и наращивании общей биомассы растений [32].

Стимуляторы роста корневой системы оказывают положительное действие на растущие деревья и кустарники только при наличии достаточного количества элементов минерального питания в почве. Если почва в местах произрастания обеднена элементами минерального питания, то стимуляторы роста корневой системы необходимо вносить одновременно с растворами минеральных солей.

Рекомендуемые для использования препараты включены в «Государственный каталог пестицидов и регуляторов роста растений, разрешенных для применения на территории Российской Федерации». Каждый из них имеет номер государственной регистрации, регламент применения и согласован с Минздравом России и Госкомэкологией России в соответствии с «Положением о регистрационных испытаниях и регистрации пестицидов в Российской Федерации».

Для повышения антистрессовой устойчивости растений используются фиторегуляторы: цитокинины, абсцизовая кислота и брассиностероиды. Повышение устойчивости связано со способностью данных фитогормонов стимулировать синтез стрессовых белков. Стрессовые белки - особый механизм самозащиты организма от стрессового воздействия, присущий большому числу биологических объектов: от простейших до человека. Эти вещества вырабатываются организмом в ответ на резкое изменение условий внешней среды. Наиболее изучена группа белков теплового шока (БТШ). БТШ начинают синтезироваться в организме при наступлении температурного стресса - повышении температуры на 8-10° выше нормы. У разных растений температурные оптимумы синтеза БТШ неодинаковы, например, у пшеницы +40° С, риса +45° С.

Помимо БТШ растение способно синтезировать еще ряд групп стрессовых белков, например, синикации (БС). Эти белки обеспечивают связывание воды в растении, а, следовательно, и противостояние осмотическому и солевому стрессам, резким потерям воды при усиленной транспирации.

В числе других антистрессовых препаратов - картолины, однако им присущи определенные недостатки. Так, наиболее распространенный из картолинов картолин-2 способен оказывать мутагенное действие [33].

Адаптогены также повышают устойчивость растений к стрессовым воздействиям. В нашей стране разрешены для промышленного применения два представителя данного класса препаратов - кремнийорганические соединения - мивал и крезацин. Адаптогенное действие данных препаратов связано с их способностью в стрессовых условиях стабилизировать клеточные мембраны, причем их действие проявляется как на растительных организмах, так и на животных [33].

Биопестициды

Как и все живые существа, деревья болеют. Жуки-короеды, питающиеся древесиной вяза, заражают дерево голландской болезнью вяза. Они заносят в свои ходы споры сумчатого гриба из рода цератоцистис; грибы закупоривают сосуды ксилемы, и дерево засыхает. Грибковые заболевания послужили причиной массовой гибели каштанов в Америке и кипарисов в Италии.

Для борьбы с вредителями и болезнями растений обычно применяют пестициды. Однако только небольшая часть (около 10%) применяемых пестицидов достигает цели; основная масса этих веществ вызывает гибель полезных организмов, аккумулируется в биологических объектах, нарушает равновесие в природных экосистемах и биоценозах, загрязняет почвы, водоемы, воздух. Химические пестициды не обеспечили при этом полную защиту растений. В литературе описаны сотни видов членистоногих, устойчивых к различным пестицидам (ДДТ, карбаматам, пиретроидам, фосфороорганическим соединениям). Это вызывает необходимость поиска других средств и методов защиты, не оказывающих отрицательного воздействия на окружающую среду. Большие перспективы при этом имеют биологические методы.

Биологическая защита - это использование живых организмов или продуктов их жизнедеятельности для предотвращения или уменьшения ущерба, наносимого придорожной экосистеме. В природе, в естественных экосистемах, нет ни вредителей, ни сорняков. Задача состоит в том, чтобы не подавлять численность естественных видов-регуляторов, а поддерживать ее. К достоинствам, биологических методов относятся низкая энергоемкость и относительная дешевизна.

Основное внимание при защите придорожного фитоциноза направлено на изучение видов насекомых, клещей, нематод - потенциальных врагов вредителей и сорняков. Учитывая значительную пестроту природных условий, ясно, что в каждом регионе должны быть свои биорегуляторы. Это исключает разработку какого-то одного, универсального, микробного инсектицида.

Потенциальные возможности биологического метода очень велики. Для некоторых видов растительности известно, например, 50 вредителей - фитофагов. В настоящее время известно более 500 видов энтомофагов, снижающих численность фитофагов. А фитофаги способны полностью подавить популяции жертвы при соотношении численности хищник-жертва 1:20-1:40.

Важно отметить, что химические пестициды окупают затраты на их разработку в 5-кратном размере, а биологические - 30-кратно. Биотехнологические методы традиционно используются для повышения плодородия почв, борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и животных. При этом удельный вес биотехнологии для развития и повышения эффективности традиционных технологий постоянно возрастает, особенно в условиях развития клеточной и генетической инженерии. Усилия биотехнологов направлены на увеличение устойчивости культивируемых биологических видов к неблагоприятным условиям внешней среды, патогенам и вредителям. При этом остается актуальной проблема поддержания разнообразия среди культивируемых видов и сохранения генетических ресурсов в целом.

Таким образом, использование микроорганизмов - природных патогенов для борьбы с возбудителями болезней и вредителями культурных биологических видов в природных условиях - дело перспективное. Выделено и описано множество микроорганизмов, патогенных для грызунов и насекомых, и на их основе созданы и продолжают разрабатываться эффективные препараты.

Использование микроорганизмов в качестве биопестицидов - сравнительно новое, но уже имеющее существенные достижения направление биотехнологии. В настоящее время бактерии, грибы, вирусы находят все более широкое применение в качестве промышленных биопестицидов. Технология производства этих препаратов различна, как различна природа и физиологические особенности микроорганизмов-продуцентов. Однако имеется ряд универсальных требований, предъявляемых к биопестицидам, основными среди них являются: селективность и высокая эффективность действия, безопасность для человека и полезных представителей флоры и фауны, длительная сохранность и удобство применения, хорошая смачиваемость и прилипаемость.

В настоящее время для защиты растений и животных от насекомых и грызунов используются, помимо антибиотиков, около 50-ти микробных препаратов, относящихся к трем группам: бактериальные, грибные и вирусные препараты. Преимущества и недостатки этих препаратов исследуются уже давно, поэтому есть возможность ознакомиться с ними подробно [21].

Бактериальные препараты

В литературе описано свыше 90 видов бактерий, инфицирующих насекомых. Большая их часть принадлежит к семействам Pseudomonadaceae, Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Micrococcaceae, Bacillaceae. Большинство промышленных штаммов принадлежит к роду Bacillus, основная масса препаратов (свыше 90%) изготовлена на основе Bacillus thuringiensis (Bt), имеющих свыше 22-х серотипов. Штаммы Bt используют для борьбы с различными вредителями: гусеницами, комарами, мошкой.

Препараты на основе Bt относятся к токсинам кишечного действия. Типичными последствиями их воздействия являются паралич кишечника, прекращение питания, развитие общего паралича и гибель насекомого. Кристаллы варьируют между различными серотипами и изолятами Bt и обладают широким спектром активности против различных насекомых.

Бактерии группы Bacillus thuringiensis эффективны в отношении 400 видов насекомых, включая вредителей полей, лесов, садов и виноградников. Наибольший эффект от применения данных препаратов получают при борьбе с листогрызущими вредителями. Известно более 100 штаммов Bt, объединенных в 30 групп по серологическим и биохимическим признакам. Микробиологическая промышленность многих стран выпускает различные препараты на основе Bt, способные образовывать споры, кристаллы и токсичные вещества в процессе роста.

Первый отечественный препарат получен на основе Вас. Thuringiensis var. dalleriae - энтобактерин. Препарат выпускается в виде сухого порошка с содержанием спор и кристаллов эндотоксина по 30 млрд./г, пасты с наполнителем, а также жидкости в смеси с прилипателем. Эффективен против чешуекрылых насекомых (капустной белянки, капустной моли, лугового мотылька, пяденицы, шелкопряда, боярышницы и др.). Применяют препарат путем опрыскивания растений суспензией из расчета 1-3 кг/га для овощных и 3-5 кг/га - для садовых культур с использованием наземных и авиационных опрыскивателей. Оптимальные условия внешней среды для применения энтобактерина - отсутствие осадков и диапазон температур +(18 - 32)°С. Это препарат кишечного действия, при поедании гусеницами вместе с листовой зеленью после попадания в желудочно-кишечный тракт насекомого вызывает общую интоксикацию и затем полный паралич. Основная масса насекомых гибнет в течение 2-10 дней: при необходимости проводят повторную обработку при сокращении дозы в 2 раза. Применение энтобактерина повышает урожайность овощных и садовых культур соответственно на 50 и 5 ц/га.

Дендробациллин на основе Вас. Thuringiensis var. dendrolimus является препаратом для защиты леса от сибирского шелкопряда. Бактерия была выделена из гусениц сибирского шелкопряда - вредителей хвойных лесов. Этот препарат также эффективен для защиты овощных, плодовых и технических культур от разных насекомых (совок, белянок, молей, пядениц и др.). Препарат не токсичен для полезной энтомофауны, исключение составляют тутовый и дубовый шелкопряд, применяется и действует аналогично энтобактерину.

Методы генной и клеточной инженерии позволяют проводить работы, направленные на улучшение существующих продуцентов и продуктов Bt. Известно, что гены, контролирующие синтез кристаллов, локализованы на небольшом числе плазмид значительной молекулярной массы. Токсичный белок, синтезируемый Bt, клонирован в Е. coli и В. subtilis, его экспрессия получена даже в течение вегетативной фазы роста. Есть сведения о клонировании белка, токсичного для бабочек, в клетках табака. В выросшем растении табака каждая клетка вырабатывала токсин. Таким образом, растение, приобретшее токсин, само становится устойчивым к насекомым: поедая листья, гусеница погибает, не причинив существенного вреда растению. Компании «Монсанто» и «Агроцетус» (США) провели полевые испытания хлопчатника с внедренным в хромосому геномом Bt. Резистентность к гусеницам передается через семена последующим поколениям растений. Начато получение рассады трансгенного картофеля и томатов с внедренным геном Bt, токсичным для чешуекрылых. Создан трансгенный инсектоустойчивый тополь с внедренным в клетки тканей геном антитрипсиназы. Фермент снижает усвоение белка насекомыми, что приводит к сокращению популяции [21].

Грибные препараты

Многочисленные виды энтомопатогенных грибов поражают широкий круг насекомых, обладая для этого различными механизмами, включая контактный, что облегчает их применение. Грибы хорошо сохраняются в виде спор и продуцируют разнообразные биологически активные вещества, усиливающие их патогенность. Однако до настоящего времени грибные препараты не нашли широкого применения. Это связано, во-первых, с определенными технологическими трудностями, возникающими при их культивировании и, во-вторых, обусловлено жесткими требованиями к параметрам окружающей среды (высокая активность грибных препаратов проявляется только в условиях высокой и стабильной влажности). У большинства грибов возбудителем инфекции являются конидии. Грибы, в отличие от бактерий и вирусов, проникают в тело насекомого не через пищеварительный тракт, а непосредственно через кутикулу. При прорастании конидий на кутикуле насекомого ростовые трубки могут развиваться на поверхности или сразу начинают прорастать в тело; часто этот процесс сопровождается образованием токсина. Если штамм слабо продуцирует токсин, мицелий достаточно быстро заполняет все тело насекомого. Заражение насекомых грибными патогенами, в отлитие от других микроорганизмов, может происходить на различных стадиях развития (в фазе куколки или имаго).

Грибы быстро растут и обладают большой репродуктивной способностью. Для того чтобы действие грибных препаратов было эффективным, следует применять их в определенное время сезона и в оптимальной концентрации. Для этого необходимо знание этиологии грибных повреждений и способов взаимодействия грибов с насекомыми, что обеспечит получение на основе грибов эффективных и достаточно экономичных пестицидов. В настоящее время, несмотря на имеющиеся ограничения, грибные препараты широко исследуются и начинают применяться для борьбы с вредителями.

Боверин является отечественным грибным препаратом, который изготавливает на основе конидиоспор Beauveria bassiana (Bals.) Vuill (B. bassiana). Препарат выпускают в виде порошка с титром 2-6 млрд. конидиоспор/г. Применяют также в комплексе с химическими препаратами (хлорофосом, фозалоном, севином) при уменьшении дозы последних в 10 раз от принятой нормы для индивидуального химического пестицида. Боверин также эффективен, как лучшие из доступных химических пестицидов. После заражения насекомого В. bassiana выделяет боверицин, циклодепснпептид-токсин. Боверин безопасен для человека и теплокровных, не выбывает ожогов у растений. Препарат эффективен против листогрызущих садовых вредителей, яблоневой плодожорки, вредителей леса, а также вредителя картофеля - личинок колорадского жука. Используют боверин путем опрыскивания растений, норма расхода 1-2 кг/га. В сочетании с небольшими добавками химических пестицидов препарат вызывает 100%-ную гибель личинок всех возрастов.

Перспективы грибных препаратов очевидны. Однако необходимы серьезные исследования для понимания этиологии вредителей. Это позволит предвидеть последствия взаимодействия между растением, вредителем и биопестицидом. Достижения последних лет свидетельствуют о принципиальной применимости методов генной инженерии для изучения физиологии, генетики и биохимии грибов. Это может привести к большему интересу к грибам как возможным продуцентам биопестицидов и, следовательно, к созданию более стойких и эффективных препаратов на их основе.

Вирусные препараты

Весьма перспективны для защиты растений энтомопатогенные вирусы. Вирусы чрезвычайно контагиозны и вирулентны, узко специфичны по действию, хорошо сохраняются в природе вне организма-хозяина. Эти препараты практически полностью безопасны для человека и всей биоты. Заражаются насекомые вирусами при питании. Попавшие в кишечник тельца-включения разрушаются в щелочной среде. Освободившиеся вирионы проникают через стенку кишечника в клетки и реплицируются в ядрах. Вирусы способны размножаться только в живой ткани организма-хозяина. Это обстоятельство делает очень трудоемкой процедуру получения вирусного материала в значительных количествах. Получают вирусный материал при размножении вирусов в насекомых. После гибели насекомых их массу измельчают, затем выделяют вирусный материал и подвергают очистке. В соответствии с рекомендациями Всемирной Организации Здравоохранения 1973 г. особое внимание при изучении вирусов было обращено на одну группу - бакуловирусы. В этой группе отсутствуют вирусы, патогенные для позвоночных. Однако вирусы других групп - вирусы цитоплазматического полигедроза, энтомопатогенные вирусы и иридовирусы - содержат потенциальные биопестициды против насекомых, поэтому сейчас рассматриваются как перспективные биопестициды.

Существуют два метода применения вирусных препаратов: интродукция вирусов в плотные популяции насекомых на сравнительно небольших площадях и обработка зараженных участков путем опрыскивания или опыления на ранних стадиях развития личинок.

Видовое название энтомопатогенных вирусов состоит из группового названия и названия поражаемого хозяина (например, «полиэдроз непарного шелкопряда» или «полиэдроз американской бабочки»). Отечественной промышленностью выпускается несколько вирусных препаратов, в том числе «вирин-ГЯП» (против гусеницы яблоневой плодожорки), «вирин-КШ» (против кольчатого шелкопряда), «вирин-ЭНШ» (против непарного шелкопряда), «вирин-ЭКС» (против капустной совки). В США усовершенствован процесс производства нескольких вирусных препаратов для защиты лесов («ТМ-Биоконтрол» и «Циптек»).

Однако вследствие высокой трудоемкости производства эти препараты в настоящее время не нашли массового применения. Специалисты считают, что потребуются годы, чтобы вирусные препараты смогли занять достойное место на рынке биопестицидов. Новые методы биотехнологии могут повлиять на цену вирусных препаратов. В настоящее время большинство вирусов способно размножаться только в тканях насекомых, и лишь немногие могут расти в культуре клеток насекомых. Разработка техники клеточных культур насекомых для размножения вирусов весьма перспективна. Для этого необходимо получение высокопродуктивных линий клеток, оптимизация питательных сред, выбор эффективных систем «вирус-клетка». По этой технологии в США начато получение коммерческого препарата «Элькар». Успешно проводятся разработки по рекомбинантным бакуловирусам с генами, кодирующими водный обмен насекомых. После применения такого препарата насекомые погибают в течение 5 дней от обезвоживания либо от перенасыщения водой. Обнаружен новый вирусный белок, на два порядка усиливающий эффективность вирусных пестицидов. Белок выделен из белковой оболочки гранулеза Trichoplusiani - бакуловируса, поражающего непарного шелкопряда, совку, волнянку; препарат назван вирусным усиливающим фактором.

Усовершенствование и развитие технологии клеточных культур насекомых, а также отбор и даже создание новых вирусов, включая производство эукариотических вирусов в прокариотах, может повлиять на конкурентоспособность вирусных пестицидов по сравнению с химическими препаратами.

Биогербициды

В настоящее время основными методами борьбы с сорняками в придорожной полосе являются выжигание с помощью ранцевого огнемета; выкашивание; использование различных видов гербицидов [24]. Химическим гербицидам, как и пестицидам, свойственны все те же недостатки. Поэтому потребность в создании биогербицидов очевидна. К ним относятся микроорганизмы - патогены растений, ферменты, а также полупродукты, получаемые биоконверсией.

Для борьбы с отдельными видами сорняков, устойчивых к химическим препаратам, применяют специфические токсичные для них микроорганизмы - грибные фитопатогены и грибные фитотоксины. Для расширения сферы их использования необходимо получение более устойчивых по отношению к изменяющимся условиям внешней среды грибных форм. Бактериальные фитопатогены менее чувствительные к факторам внешней среды, в меньшей степени поражают растения. Последние разработки в данном направлении обещают существенные перспективы. Япония начала производство биогербицида на основе билафоса, продуцируемого штаммом Strepromyces hydroscopicus. Препарат обладает широким спектром действия, нарушает азотный обмен в листьях и стеблях сорняков. Однако биогербициды пока обладают низкой селективностью в отношении поражения различных видов растений, что ограничивает области их применения [21].

Биологические удобрения

Учитывая агрессивные условия роста флоры придорожной полосы и в целях поддержания максимально возможной в данных условиях жизнеспособности растений, необходимо создать оптимальные условия питания для них. При этом грамотное внесение органических и минеральных удобрений позволяет снизить токсичное действие тяжелых металлов. Микроорганизмы также играют большую роль в повышении плодородия почвы, так как в процессе роста и развития улучшают ее структуру, обогащают питательными веществами, способствуют более полному использованию удобрений.

С древних времен для восстановления и улучшения почв применяются бобовые растения, способные в симбиозе с азотфиксирующими микроорганизмами восполнять почвенные запасы азота в результате усвоения атмосферного азота.

В 1901 г. Бейеринк открыл свободно живущую азотфик-сирующую бактерию Azotobacter. Высокая продуктивность азотфиксации у Azotobacter послужила причиной для интродуцирования этих бактерий в почву с целью восполнения ресурсов азота. Практическое применение нашли симбиотические бактерии рода Rhizobiwn, развивающиеся в клубеньках бобовых растений. Стали разрабатывать способы внесения этих микроорганизмов в почву, а также для инокуляции семян. Затраты при использовании этих способов невелики, техника применения весьма проста, а эффект значителен. Культивирование бобовых, положительно влияя на азотный баланс почв, облегчает борьбу с эрозией и помогает восстанавливать истощенные земли.

Клубеньковые бактерии рода Rhizobium, развиваясь в корневой системе бобовых растений, в симбиозе с ними фиксируют атмосферный азот, обеспечивая этим азотное питание растений. Согласно современным представлениям, азотфиксация является восстановительным процессом превращения газообразного азота в аммиак, который в дальнейшем ассимилируется растениями с образованием аминокислот. Клубеньковые бактерии обладают избирательной способностью по отношению к растению-хозяину. Эта особенность азотфиксаторов положена в основу их классификации внутри рода Rhizobium. Так, для бактерий Rh. leguminosarum растениями-хозяевами являются горох, вика, кормовые бобы, чина, чечевица; для Rh. phaseoli - фасоль; Rh. japonicum - соя; Rh. trifolii - клевер; Rh. vigna - вигна, маис, арахис и др. Процесс азотфиксации протекает только в клубеньках на корнях бобовых растений, которые образуются в результате проникания бактерий через корневые волоски в корень. Взаимоотношения бактерий с растениями зависят от комплекса условий, включая физиологическое состояние и условия роста растений, физиологическую активность и вирулентность бактерий.

Под вирулентностью понимают способность бактерий проникать внутрь корня растений и вызывать образование клубенька. Существенное влияние на процесс образования клубеньков, а, следовательно, на эффективность последующего процесса азотфиксации, оказывают температура и влажность почвы, наличие в ней необходимых для развития бактерий и растений биогенных элементов. Сухие препараты азотфиксаторов, приготовленные на основе клубеньковых бактерий рода Rhizobium и предназначенные для повышения урожайности бобовых растений (гороха, фасоли, сои, клевера, люцерны, люпина и др.), в настоящее время выпускаются подтоварным названием «Нитрагин». Помимо почвенного нитрагина, выпускают также сухой нитрагин - препарат бактерий с содержанием в 1 г не менее 9 млрд. жизнеспособных клеток, в качестве наполнителя используют мел, каолин, бентонит. Препараты сухого нитрагина с остаточной влажностью 5-7% фасуют по 0,2-1,0 кг и хранят при температуре +15°С в течение 6 мес. Вносят нитрагин путем опудривания семян сухим препаратом непосредственно перед посевом. Препараты нитрагина вносят в почву на фоне минеральных и органических удобрений. При инокуляции почв нитрагином урожайность бобовых культур возрастает на 15-20%.

Аналогом азотных удобрений является другой препарат азотфиксирующих бактерий - «Азотобактерин», который выпускается промышленностью в нескольких вариантах. Бактерии рода Azotobacter являются свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами и обладают высокой продуктивностью азотфиксации (до 20 мг/г использованного сахара). Помимо связывания атмосферного азота, эти бактерии продуцируют биологически активные соединения (витамины, гиббериллин, гетероауксин и др.). В результате этого инокуляция азотобактерином стимулирует прорастание семян и ускоряет рост и развитие растений. Более того, Azotobacter способен экскретировать фунгицидные вещества. Этим угнетается развитие в ризосфере растений микроскопических грибов, многие из которых тормозят развитие растений. Бактерии рода Azotobacter весьма требовательны к условиям среды, особенно к концентрации в почве фосфатов и микроэлементов, и активно развиваются в плодородных почвах.

Не менее важно оптимальное питание придорожных растений фосфором, особенно учитывая его способность снижать накопление тяжелых металлов биомассой за счет антагонизма с некоторыми из них. Фосфатные ионы в почве, как известно, не очень подвижны, поэтому вокруг корневой зоны растений часто возникает дефицит фосфора. Везикулярно-арбускулярная микориза (Микориза ВА) играет существенную роль в плодородии почвы, так как способствует поглощению растениями фосфатов из почвы. Эндо-и экзомикоризы представляют собой особые структуры, формирующиеся внутри или вокруг мелких корешков растений в результате заражения почвенными непатогенными грибами. Поэтому возникают симбиотические отношения между грибами и растениями, выгодные растению-хозяину. Микориза ВА, образуемая грибом-фикомицетом из семейства Endogonaceae, встречается в большинстве почв практически всех климатических зон. Гифы Микоризы ВА, вырастающие из мицелия и распространяющиеся далеко за пределы корневой системы, переносят фосфатионы из зон их присутствия в клетки хозяина. Наибольший эффект Микориза ВА приносит растениям со слабой корневой системой. Благодаря ей рост растений на бедных фосфатами почвах улучшается. Одновременно с поступлением фосфатов растения также обогащаются микроэлементами. Доказано, что в растениях с Микоризой ВА концентрация гормонов роста выше, чем при ее отсутствии. Если Микориза ВА формируется в присутствии азотфиксирующих бактерий, у бобовых усиливается процесс образования клубеньков и азотфиксация.

Для улучшения питания придорожных растений фосфатами может быть эффективен фосфоробактерин. Препарат получают на основе спор культуры Bacillus megaterium var. phosphaticum. Эти бактерии превращают трудноусвояемые минеральные фосфаты и фосфорорганические соединения (нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды) в доступную для растений форму. Фосфоробактерин не заменяет фосфорные удобрения и не действует без них. Положительный эффект от применения фосфоробактерина не только связан с доставкой усвояемых фосфатов к растениям, но также обусловлен действием биологически активных веществ (тиамина, биотина, никотиновой и пантотеновой кислот, витамина В₁₂ и др.). Данные биологически активные вещества, попадая на поверхность семян, а затем в ткани растения, стимулируют фосфорное и азотное питание, т.е. благоприятно действуют на развитие растений на первых этапах жизни [21].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Снижение автотранспортного загрязнения окружающей среды и переработка отходов, аккумулируемых в придорожной полосе, может осуществляться биотехнологическими методами, основанными на способности ферментов живых организмов катализировать широкий спектр химических реакций при атмосферном давлении, положительных температурах и нормальной кислотности среды.

Эти методы по сравнению с физико-химическими менее энергоемки, имеют меньшую стоимость, лучше вписываются в естественный биогеохимический круговорот веществ, т.е. дают меньше отходов. Недостатки - относительно небольшая производительность процессов очистки компонентов окружающей среды от загрязнителей, чувствительность к концентрации примесей, температуре окружающей среды, сложность регулирования процессов, недостаточная изученность побочных эффектов влияния на компоненты экосистем придорожной полосы - будут преодолеваться с помощью генной инженерии, первые шаги которой вызвали большой общественный резонанс.

В дорожном хозяйстве отдельные элементы биотехнологий используются уже давно и связаны с осуществлением защитного озеленения. Содержание придорожной территории сводится зачастую к использованию гербицидов для борьбы с нежелательной растительностью или сжиганию на месте порубочных остатков, что приводит к деградации и разрушению придорожных экосистем. Лесополосы высаживаются преимущественно с целью защиты от снежных заносов и не рассматриваются в качестве средозащитных мероприятий и уж тем более как искусственные экосистемы. Грамотный уход за ними, как правило, не ведется.

Материалы, изложенные в обзорной информации, позволяют комплексно взглянуть на проблемы конструирования искусственных экосистем на придорожных территориях, обеспечения их устойчивого развития в стрессовых условиях избыточного автотранспортного загрязнения. Без их освоения невозможно гармоничное вписывание автомобильной дороги в природные ландшафты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Koji Tsunokawa, Christopher Hoban. Roads and the Environment. - 1997. - 217 p.

2. Мониторинг состояния зеленых насаждений и городских лесов Москвы / Е.Г. Мозолевская, Н.К. Белова, Е.Г. Куликова и др. // Экология большого города: Альманах. Вып.2. Проблемы содержания зеленых насаждений в условиях Москвы. - М.: Прима-Пресс, 1997.-176 с.

3. Автомобильные дороги в экологических системах (проблемы взаимодействия) / Д.Н. Кавтарадзе, Л.Ф. Николаева, Е.Б. Поршнева, Н.Б. Флорова. - М.: ЧеРо, 1999. - 240 с.

4. Экологические проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Ч. 1 / М.В. Немчинов, С.С. Шабуров, В.К. Пашкин и др. - М, Иркутск, 1997.

5. Флуоресцентные методы контроля физиологического состояния зеленых насаждений / Т.Е. Кренделева, П.С. Венедиктов, С.И. Погосян и др. // Экология большого города: Альманах. Прилож. к вып. 2. Проблемы содержания зеленых насаждений в условиях Москвы. - М.: Прима-Пресс, 1997. - С. 36-39.

6. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 243 с.

7. Мосина Л.В., Потапова С.А. Почвенно-биотический комплекс как основа агроэкосистемы: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МСХА, 1997. - 80 с.

8. Основы сельского хозяйства / И.М. Ващенко, В.Г. Лошаков, Б.А. Ягодин и др. - М.: Просвещение, 1987. - 576 с.

9. Агрохимия / Б.А. Ягодин, П.М. Смирнов, А.В.Петербургский и др. - М.: Агропромиздат, 1989. - 639 с.

10. Грачева Н.М. Влияние антропогенного загрязнения на лесорастительные свойства дерново-подзолистых почв: Дис.... канд. биол. наук. - М.: МСХА, 1992. - 160 с.

11. Евгеньев И.Е., Каримов Б.Б. Автомобильные дороги в окружающей среде. - М.: Трансдорнаука, 1997. - 285 с.

12. Состояние зеленых насаждений и городских лесов в Москве: Аналит. доклад / Н.А. Авсиевич, В.А. Агальцова, Л.А. Атрощенко и др.; Под ред. Х.Г. Якубова. - М.: Прима-Пресс, 2000. - 277 с.

13. Радкевич В.А. Экология. - М.: Высш. шк., 1998. - 94 с.

14. Сергейчик С.А., Сергейчик А.А., Сидорович Е.А. Методы фитоконтроля загрязнения природной среды. - Минск, 1991.

15. Энциклопедический словарь-справочник. Окружающая среда. - М.: Прогресс-Пангеля, 1993.

16. Состояние зеленых насаждений в Москве: Аналит. доклад / Н.А. Авсиевич, П.Б. Ананьев, И.П. Беляев и др.; Под ред. Х.Г. Якубова. - М.: Прима-Пресс, 1998. - 238 с.

17. Экологический мониторинг: Метод, пособие / В.В. Снакин, М.А. Малярова, Т.Ф. Гурова и др. - М. РЭФИА, 1996. - 92 с.

18. Рыжов И.Н., Ягодин Г.А. Школьный экологический мониторинг городской среды: Учеб. пособие. - М.: Галактика, 2000. - 192 с.

19. Якубов Х.Г., Ананьев П.Б. Санитарно-гигиеническое значение зеленых насаждений в условиях города // Экология большого города: Альманах. Вып. 3. Проблемы содержания зеленых насаждений в условиях Москвы. - М.: Прима-Пресс, 1998. - 152 с.

20. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. - М., 1998. - 242 с.

21. Волова Т.Г. Экологическая биотехнология: Учеб. пособие. - Новосибирск: Сибирский хронограф, 1997. - 144 с.

22. Янкевич М.И., Квитко К.В. Биоремеднация нефтезагрязненных водоемов // Экология и промышленность России.- 1998. - № 10. - С. 21-26.

23. Методические рекомендации по очистке и нейтрализации загрязнений грунтов придорожной полосы нефтепродуктами / ВГАСА, Регион, центр эколог, безопасности дор. хоз-ва «Экодор - ЦЧР». - М., 2000.-16 с.

24. Методические рекомендации по озеленению автомобильных дорог: ОДМ 218.011-98/Росдорнии, Свердл. центр Росдорнии, Росгипролес, НПФ «Российские семена». - М., 1998. - 52 с.

25. Альбом сооружений на автомобильных дорогах для защиты окружающей среды от транспортных загрязнений / Союздорнии. - Балашиха, 1996. - 49 с.

26. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. - М.: Мир, 1997.-232 с.

27. В.А. Коротанов. Эколого-градостроительные проблемы озеленения Москвы // Экология большого города. Альманах. Вып. 2. Проблемы содержания зеленых насаждений в условиях Москвы. - М.: Прима-Пресс, 1997. - С. 13-16.

28. Машинский В.Л. Озеленение территории в пределах «красных линий» // Экология большого города. Альманах. Вып. 2. Проблемы содержания зеленых насаждений в условиях Москвы. - М.: Прима-Пресс, 1997. - С. 132-134.

29. Стратегия озеленения автотрасс Москвы в условиях применения противогололедных средств // Автотранспортный комплекс и экологическая безопасность: Сб. Моск. гор. науч.-практ. конф. - М.: Изд-во «Прима-Пресс-М», 1999. - С. 123-128.

30. Рекомендации по реконструкции и восстановлению зеленых насаждений в Москве / Моск. гос. ун-т леса, ГУП Акад. коммун, хоз-ва им. К.Д. Памфилова, ЗАО «ПРИМА-М». - М.: МГУЛ, 2000. - 75 с.

31. Состояние зеленых насаждений в Москве: Аналит. доклад / Н.А. Авсиевич, П.Б. Ананьев, И.Л. Башаркевич и др.; Под ред. Х.Г. Якубова. - М.: Прима-Пресс, 1999. - 216 с.

32. Метелицина Т.Н., Жеребцова Г.П. Технологический регламент применения биологически активных веществ в системе ухода за городскими зелеными насаждениями // Экология большого города: Альманах. Прил. к вып. 2. Проблемы содержания зеленых насаждений в условиях Москвы. - М.: Прима-Пресс, 1997. - С. 23-26.

33. Сельскохозяйственная биотехнология / В.С. Шевелуха, Е.А. Калашникова, С.В. Дегтярев и др.; Под ред. В.С. Шевелухи. - М.: Высш. шк, 1998. - С. 350-376.