Ольга Гладкова, Евгений Гладков
Экологические фитотехнологии
Введение.
Растения широко используются человеком для пищевых, декоративных и лекарственных целей. Однако растения можно использовать и в экологических целях.
Современные фитотехнологии все чаще используются в охране окружающей среды: очистка воздуха с помощью городского озеленения и комнатных цветов, очистка почвы и многое другое. Но для того, чтобы правильно использовать растения в защите окружающей среды необходимо знание таких биологических дисциплин, как ботаника, общая экология, физиология растений, фитобиотехнология и др. Данное учебное пособие составлено по материалам лекций, читаемыми авторами в МГУ инженерной экологии и телевизионных программ, вышедших на первом образовательном телеканале (СГУ ТВ). Пособие предназначено студентам, изучающим теоретический курс дисциплины «Фитотехнологии в охране окружающей среды» и обучающимся специальностям «Инженерная защита окружающей среды» «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Биотехнология».
.
Глава 1.Основы ботаники и экологии растений. Экологические основы применения современных фитотехнологий.
1.1. Науки о растениях
Человек рано осознал свою зависимость от растительного мира, поэтому первые знания о растениях относятся к древнейшим этапам развития человеческих цивилизаций. Первые датируемые сведения о растениях содержатся в клинописных таблицах Древнего Востока. Основы наук о растениях заложили древние греки. Древнегреческий философ и естествоиспытатель Теофраст был назван К. Линнеем «отцом ботаники». После общего упадка естествознания в средние века науки о растениях вновь начинают развиваться с XVI века. В первой половине 20 века складывается весь комплекс наук о растениях. Мир растений изучает наука ботаника (от греч. «ботанэ» – растения, травы).
Ботаника – комплекс биологических наук, исследующих растения. Ботаника – это наука, исследующая строение, жизнедеятельность, закономерности индивидуального и эволюционного развития растений, распространение и условия обитания.
Биотехнология растений – биологическая наука, использующая изолированные растительные клетки и ткани в хозяйственной деятельности человека (в селекции растений, для получения ценных веществ, для размножения растений).
1.2.Растения и биосфера
Растения в биосфере играют ведущую роль. Только содержащие хлорофилл, зеленые растения способны аккумулировать энергию Солнца, создавая органические вещества из неорганических, при этом растения извлекают из атмосферы диоксид углерода, и выделяют кислород, поддерживая ее постоянный состав. Следовательно, растения являются биологическим источником кислорода на Земле и оказывают значительное влияние на климат. Растения, во многих случаях первое звено в пищевой цепи, растительные сообщества определяют фауну любого биоценоза суши. Культурные растения фактически являются основой современного сельского хозяйства, человек широко использует дикорастущие и культивируемые растения для изготовления лекарственных препаратов в пищевых и декоративных целях. Растения растут в различных экосистемах имеющих разную температуру, влажность, освещение и т.д., они образуют различные сообщества (фитоценозы) на суше, обусловливая разнообразие ландшафтов и экологических условий для других организмов. Растения участвуют в формировании почвы и торфа, а скопления ископаемых растений образовали месторождения бурого и каменного угля.
1.3.Свойства растений
1.Размеры и строение растений колеблются в широких пределах – от нескольких мкм у некоторых водорослей (хлорелла) до сложно устроенных покрытосеменных и голосеменных с высокодифференцированными тканями и органами (эвкалипты и секвойи достигают 100 м и более высоты, например самый крупный – секвойядендрон «Отец лесов» ныне уже не существующий, достигал, исходя из его описаний, высоты 135 м при диаметре ствола у основания, равном 12 м). При всем разнообразии растений им свойственны общие черты: 1. В составе клеток растений находится твердая клеточная оболочка или стенка, состоящая из целлюлозы, не пропускающая твердые частицы и определяющая единственный способ питания – адсорбционный (с помощью всасывания). Содержание питательных веществ в организме зависит от размера поверхности соприкосновения растения с окружающей средой. Вследствие этого органы растения, обеспечивающие его питание – побеги и корни, достигают высокой степени расчлененности.
2. Большинство растений прикреплены к твердому субстрату, что существенно ограничивает их подвижность. Большая часть растений практически неподвижны, однако движение частей растений встречается в природе. Движение растений – это реакция растений на различные внешние и внутренние раздражения, выражающаяся в изменении положения растений или их органов в пространстве. Растения способны к очень медленным движениям (тропизмам), необходимым для ориентации органов по внешним факторам, например, свет и гравитация. Для них характерны медленные движения (складывание листьев, лепестков цветков в зависимости от времени суток и т. д.) и относительно быстрые – реакция на различные химические вещества, прикосновение, повреждение (движения насекомоядных растений при улавливании насекомых, закручивание усиков лиан вокруг твердых объектов).
У стыдливой мимозы, травянистого растения высотой 30—60 см; встречающегося в Бразилии удивительные листья, они могут складываться и опускаться в темноте от самого легкого прикосновения и других раздражающих причин.
3. Расселение растений происходит с помощью зачатков (семена, споры), которые находятся в состоянии покоя.
4. Растения – это автотрофные организмы, синтезирующие органическое вещество из неорганических соединений, с использованием внешних источников энергии. Лишь единичные растения имеют гетеротрофное питание (растения-паразиты, хищные растения). Такой тип питания является результатом вторичного происхождения. Запасным питательным веществом служит крахмал.
5. У растений происходит закономерное чередование поколений при половом размножении.
1.4. Растения и человек
Выделяют шесть основных сфер, где прямо или косвенно используются растения:
в качестве продуктов питания для человека,
корма для животных,
как источник сырья для промышленности и хозяйственной деятельности,
в качестве лекарственных средств и сырье для получения медицинских препаратов,
в декоративном озеленении,
в охране окружающей среды.
Пищевое значение растений общеизвестно. В качестве продуктов питания человека, используются части растений, содержащие запасные питательные вещества или сами вещества, извлеченные тем или иным способом. Значительная часть углеводов, а также ряд витаминов (некоторые витамины содержатся в основном в растениях), микроэлементов и некоторых других биологически активных веществ поступают вместе со свежей растительной пищей. Существенную роль в питании людей, кроме растений, содержащих белки и углеводы, играют пряности и растения, содержащие кофеин – чай и кофе.
Для технических целей наиболее широко применяются древесина и волокнистые части растений. Древесина используется при изготовлении мебели, строительных конструкций, в производстве бумаги. Растительные волокна, относительно конкурентноспособны и более экологически безопасны, по сравнению с синтетическими волокнами их получают из хлопчатника, льна, джута.
В народной медицине растения составляют основную массу лекарственных средств. Фитотерапия (одна из древнейших наук) – это лечение лекарственными растениям. В начале ХХ века растения составляли более 80 % всех лечебных средств. Несмотря на то, что значительное число препаратов, используемых сейчас, получено синтетическим путем, растения в медицине по-прежнему пользуются популярностью и существует большое количество лекарственных препаратов, получаемых из растений. Лекарственное растение может являться основой препарата, либо вещества, получаемые из растения составляют основу лекарства.
Более 1000 видов растений разводят с декоративными целями: либо из-за красивых цветков, либо из-за эффектной зеленой листвы.
Растения, уже используемые человеком или которые могут быть использованы им в будущем, составляют растительные ресурсы. Растительные ресурсы относятся к категории восполняемых (при правильной эксплуатации), растительные ресурсы делят на ресурсы природной флоры (сюда относятся все дикорастущие виды) и ресурсы культивируемых растений.
1.5. Сельскохозяйственные растения
Ответить на вопрос, когда впервые были посеяны семена, достаточно сложно. Возможно, это произошло в результате логического следствия простого ряда событий. Дикорастущие, дающие съедобные зерна злаки легко заселяли открытые, нарушенные человеком места или участки голой земли, где росло мало других видов, создающих им конкуренцию. Люди, регулярно собиравшие такие зерна, возможно, могли случайно рассыпать, а может быть сознательно посеять, получив более надежный источник питания. Так появилось земледелие. Где дикорастущих съедобных растений было много, люди оставались надолго, со временем они увеличивали урожай за счет запасания и посева семян, таким образом, произошел переход от собирательства к земледелию. Наибольший интерес представляли семена растений с признаками, облегчающими сбор урожая, его хранение или использование. У дикорастущей пшеницы ось соцветия (рахис) легко разламывается, рассыпая зрелые зерна. У культурных видов пшеницы рахис прочный и семена сохраняются в колосе до уборки урожая. В природе это свойство препятствовало бы их распространению, зато оно облегчает сбор для использования в пищу и нового посева. С течением времени закреплялись мутуалистические взаимоотношения – зерновые становились все более зависимыми от возделывающего их человека, а человек – от них.
Первыми культурными растениями были ячмень и пшеница, затем к ним прибавились чечевица и горох.
Специальные орудия для сбора и обработки зерна, например кремневые серпы, каменные жернова применялись уже более 10000 лет назад. Примерно 8000 лет люди стали обжигать глиняные сосуды для хранения зерна.
За последние 500 лет важнейшие сельскохозяйственные культуры распространились по всему миру, главные зерновые растения – пшеница, рис и кукуруза. Большое значение для человека имеют: сахарный тростник, сахарная свекла, фасоль, соя, ячмень, сорго, кокос, бананы, картофель, батат, маниок. Эти 14 растений составляют значительную часть возделываемых источников питания.
Растения, неизвестные в Европе до Колумба (кукуруза, помидоры и другие) разводят по всему миру.
1.6. Систематика растений
Растения делят на два подцарства – низшие и высшие. У низших растений тело не расчленено на органы и ткани и называется слоевищем или талломом. К низшим растениям относят красные водоросли (багрянки), которые иногда выделяют в отдельное подцарство, и настоящие водоросли. Лишайники, представляющие собой мутуалистические отношения грибов и водорослей, также обычно относят к низшим растениям. У высших растений имеются органы (корень, стебель и лист), образованные сложно дифференцированными тканями, зигота высших растений развивается в многоклеточный зародыш. К высшим растениям относятся отделы Моховидные, Плауновидные, Хвощевидные, Папоротниковидные, Голосеменные и Покрытосеменные (Цветковые).
1.7.Водоросли
Настоящие водоросли – обширная группа растительных организмов, включающая несколько отделов и около 30 тыс. видов. Размеры водорослей зависят от уровня их организации. Они могут быть представлены только одной клеткой либо колонией клеток, или многоклеточным слоевищем. Настоящих тканей нет, вегетативные органы отсутствуют. Размеры одноклеточных водорослей составляют от 0,25 до 30 мкм. Представители многоклеточных видов достигают 10-12 и даже 50 м (бурые водоросли).
Водоросли распространены в морских и пресных водах и во влажной среде на суше. В зависимости от экологических особенностей водоросли делят на планктонные, бентосные (донные), наземные, почвенные, водоросли горячих источников, водоросли снега и льда.
Биомасса водорослей в Мировом океане оценивается в 1,7 млрд. т., биомасса животных – в 32,5 млрд. т. Таким образом, биомасса животных почти в 20 раз превышает растительную. Однако, несмотря на такую разницу, фитопланктон чрезвычайно продуктивен – 550 млрд. т в год. Бентосные растения значительно менее продуктивны- 0,2 млрд. т в год.
Наземные водоросли поселяются на твердых субстратах: на коре деревьев, на мхах, валунах и скалах, на заборах, крышах и т.д., главное условие – постоянное или периодическое увлажнение.
Зеленые водоросли распространены преимущественно в пресных водах (около 13 тыс. видов). Красные водоросли (багрянки) распространены преимущественно в теплых водах морей и океанов (около 4 тыс. видов). Почти все красные водоросли многоклеточные. Багрянки выделили в самостоятельное подцарство растений. Бурые водоросли распространены преимущественно в умеренных и холодных водах морей и океанов (около 1,5 тыс. видов). Все бурые водоросли многоклеточные.
К условиям жизни в почве приспособились почти 2000 видов водорослей. Основная их масса обнаруживается в поверхностном слое глубиной до 1 см. На глубине более 10 см они встречаются в незначительных количествах, эти растения хорошо переносят засуху, благодаря образованию слизистых чехлов, состоящих из полисахаридов и способных быстро поглощать и удерживать большое количество воды. Органические вещества, выделяемые водорослями, живые тела и продукты распада клеток водорослей являются пищей для многих почвенных организмов: бактерий, грибов и др. Водоросли хорошо адаптировались к жизни в экстремальных условиях обитания, они встречаются в горячих источниках и на снегу.
Говоря о вершинах гор, мы представляем снег, одевающий их вечным покровом, и обладающий удивительной первозданной белизной. Однако, попав на вершины Гималаев, Анд, и Альп можно не поверить своим глазам – большие пространства снегов розовеют, как бледноватая мякоть арбуза. На таких высотах, кажется, что эти волшебные снежные полосы, всего лишь причудливые тени. Некоторые путешественники не могли поверить в реальность этого пейзажа. Может быть, усталость с человеком играет« злую шутку»? Это водоросли, толерантные к низким температурам и ультрафиолетовому излучению. В каждой водоросли существуют зеленые частички, осуществляющие фотосинтез, но красный цвет придает интенсивный красный пигмент, который предохраняет водоросли от ультрафиолетового излучения.
Экологическое значение. Планктонные и бентосные водоросли служат основными производителями органического вещества в водоемах. Водоросли источник питания для многочисленных морских животных, от их численности зависит численность различных растительноядных беспозвоночных и позвоночных животных (моллюсков, ракообразных, рыб и др.).
В формировании осадочных пород большую роль играют одноклеточные водоросли диатомеи, строящие свой панцирь из кремнезема.
1.8. Высшие растения
В процессе эволюции в результате адаптаций к жизни в наземно-воздушной среде у высших растений произошла дифференциация клеток на ткани и формирование органов.
1.8.1. Высшие споровые растения
Споровые растения имеют два общих свойства:
1. Для осуществления полового процесса им необходима капельно-жидкая влага, что существенно ограничивает их распространение.
2. Образующиеся споры мелкие, содержат мало питательных веществ и имеют слабую жизнеспособность.
1.8.2.Отдел Моховидные
Моховидные, или мхи (около 25 тыс. видов), произошли от водорослей, относятся к высшим споровым растениям, для которых характерно разделение тела на органы. Ареал мхов очень широкий, их можно встретить во многих экосистемах, за исключением ледников, соленых водоемов, полупустынь и пустынь, однако наиболее широко мхи представлены областях с умеренным холодным климатом: в густых лесах (часто встречаются в хвойных экосистемах), на болотах, на коре деревьев, часто поселяются на стенах и крышах деревянных построек, на скалах. Мхи толерантны к колебаниям температур, низкому освещению, они способны переносить большие морозы и сильную жару и даже высыхание. Большинство мхов являются многолетними растениями. Мхи, хотя и редко, достигают более 10 см в высоту, их размеры колеблются – от 1 мм до 3-4 см и даже до 60 – 70 см – размер стеблей у водных и эпифитных мхов. Моховидные – самые примитивные из высших наземных растений.