CC BY
41
УДК 630.161.16:502/504
ОЗДОРОВЛЕНИЕ ГОРОДСКОЙ АТМОСФЕРЫ ЛЕТУЧИМИ ВЫДЕЛЕНИЯМИ ЛЕСА
Р.А.Степень, С.В.Соболева
Сибирский государственный технологический университет, Красноярск, Россия 660049, Красноярск, пр. Мира, 82; e-mail: [email protected]
Рассматривается возможность использования летучих выделений пригородных хвойных древесных насаждений в оздоровлении воздушной среды краевого центра. При проведении исследований определяли содержание и исследовали компонентный состав эфирного масла в древесной зелени и в других материалах и летучих экскретов хвойных древесных растений под и над пологами деревьев и на высоте около 1 км. Показано, что летучие экскреты хвойных древесных пород, как и их эфирные масла, преимущественно представлены терпеноидными веществами, ежегодное поступление которых составляет 45-90 кг/га. Эфирное масло из растительных образцов отгоняли водяным паром, его выход находили волюмо-метрическим путем. Содержание веществ в воздушной среде оценивали методом окисляемости. Летучие продукты из воздуха улавливали адсорбционным путем. В большей мере они выделяются ассимиляционными органами пихты, и кедра, меньше сосны, и значительно меньше - ели и лиственницы. Экспериментально установлено, что над лесными массивами летучие экзометаболиты поднимаются на высоту до 1 км и выше. Приносимые ветром в атмосферу города, они способствуют в связи с их бактерицидностью оздоровлению, а своей химической активности - образованию центров конденсации, что способствует очищению воздуха от загрязнителей. Проведенные исследования свидетельствуют о возможности снижения экологической нагрузки городской атмосферы за счет летучих экзометаболитов пригородных хвойных насаждений, расположенных с учетом господствующих ветров. Их терпеноидная природа указывает на бактеристатическое действие, химическая активность - на инициирование центров конденсации, ведущей к удалению из воздуха примесей. Наиболее благоприятными полезными свойствами обладают кедровники и пихтарники.
Ключевые слова: летучие терпеноиды, встречная волна, оздоровление атмосферы
Possibility of the use is examined of volatile excretions of the suburban coniferous arboreal planting in making healthy of air environment of regional center. It is shown that volatile of terpenoidss substances coniferous arboreal breeds, as well as their essential oils, mainly presented by terpenoidss substances the annual receipt of that makes 45-90 kg/of ha. In a greater measure they are distinguished by the assimilatory organs of silver fir, and cedar, less pine-tree, and considerably less than - ate larchs. It is experimentally set that above forest arrays volatile terpenoidss walk up a height a to 1 kilometre and higher. Brought by wind in the atmosphere of city, they assist in connection with their bactericidalness making healthy, and chemical activity - to formation of centers of condensation, that assists purging of air from pollutants. Undertaken studies testify to possibility of decline of the ecological loading of municipal atmosphere due to volatile terpenoidss of the suburban coniferous planting located taking into account dominating winds. Them terpenoidss nature specifies on a antibacterial action, chemical activity - on initiation of centers of condensation conducing to moving away from air of admixtures. The most favorable useful properties are possessed by рклИ^ of Pine-tree Siberian and firs.
Keywords: volatile terpenoidss, head-sea, making healthy of atmosphere
ВВЕДЕНИЕ
По загрязнению воздушной среды г Красноярск считается одним из наиболее неблагоприятных городов России (Фрумин, 2002). Наряду с развитием промыш-ленно-энергетического производства и автотранспорта, что характерно для многих крупных административных центров, положение усугубляется его географическим размещением. Располагаясь в котловине в предгорьях Саян, город большую часть года, особенно в зимний период, находится под воздействием мощных смогов. Регулирование режима работы предприятий не обеспечивает необходимого качества воздушной среды. Их пагубное влияние на здоровье населения и требует принятия мер по улучшению экологического состояния.
В работе рассматривается возможность использования летучих выделений (экскретов) пригородных хвойных древесных насаждений в оздоровлении воздушной среды краевого центра.
Использование древесной растительности для снижения загрязнения городской атмосферы считается дешевым и доступным средством ее оздоровления (Фролов, 1998; Летучие..., 2007; и др.). Деревья и кустарники улавливают пыль, сажу, а выделяемые ими фитоорганические вещества снижают в воздухе численность микрофлоры и придают ему свежесть. Они украшают территорию, улучшают психику а также обладают другими многочисленными полезными свойствами. Однако, городская среда пагубно действует на растения (Фролов, 1998; и др.). Найдено, что в зависимости от интенсивности загрязнения воздуха в посадках сосны и ели через 5-8 лет охвоен-ность ветвей сокращается в 2 раза и больше, деревья заболевают (Степень и др., 2013). Вместо 5-6-летней хвои, как наблюдается в естественных древостоях, на ветвях деревьев городских участков остается хвоя 2-3 лет. Еще хуже переносят загрязнение атмосферы посадки кедра сибирского и пихты сибирской, кото-
рые обладают большим потенциалом биологически активных компонентов, прежде всего терпеноидов (Летучие..., 2007).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Оздоровление городской атмосферы фитооргани-ческими продуцентами растений при ограничении реальной возможности их размещения на территории может достигаться путем «встречной волны». Развиваемое акад. А.М.Гродзинским (Фитонциды..., 1986) положение основывается на том, что выделяемые на больших загородных площадях летучие метаболиты растительности ветром заносятся на территории населенных пунктов и улучшают экологическое состояние их атмосферы. В связи с этим предполагается, что крупные посадки хвойных насаждений в окрестностях Красноярска, проведенные с учетом превалирующих западных и юго-западных ветров, могут заметно снизить экологическую аэрогенную нагрузку в городе.
При проведении исследований определяли содержание и исследовали компонентный состав эфирного масла в древесной зелени и в других материалах и летучих экскретов хвойных древесных растений под и над пологами деревьев и на высоте около 1 км (Степень, Репях, 1998). Эфирное масло из растительных образцов отгоняли водяным паром, его выход находили волюмометрическим путем. Содержание веществ в воздушной среде оценивали методом окисляемости. Летучие продукты из воздуха улавливали адсорбционным путем. Их выделение из адсорбентов проводили в аппаратах Сокслета диэтиловым эфиром. Состав
Таблица 1- Содержание летучих веществ и эфирного ма(
эфирного масла и летучих экскретов исследовали методом ГЖХ на хроматографе ХРОМ-5 с использованием неподвижной фазы SE-30 (5 %) на хроматоне А (0,20-0,25 мм) и пламенно-ионизационным детектора.
Основными компонентами летучих экскретов хвойных древесных растений являются терпеноиды, которые обладают мощными бактерицидными свойствами (Степень, Репях, 1998; Голдин, Голдина, 2011). Благодаря этому они способны оздоровлять воздух, убивая вредную микрофлору. Не менее важная роль им принадлежит в создании дополнительных ядер конденсации (Went, 1966). Их создание способствует выведению из воздушной среды находящихся там примесей, то есть ее механическому (и химическому) очищению. С учетом этого снижение загрязнения атмосферы Красноярска летучими выделениями пригородных лесных массивов, сокращения в городе количества «черных дней» представляется обоснованным и сравнительно недорогим. Важно оценить потенциал продуцирования летучих экскретов основных хвойных лесообразующих пород Красноярской лесостепи.
Содержание летучих фитоорганических веществ в летнее время в зависимости от породного состава, вегетационного периода, температуры и других факторов изменяется в пределах 0,5-5,4 % мг/м3 (Степень, Репях, 1998). В таблице 1 приведены средние данные по их насыщенности в воздухе молодняков сосны по высоте ствола в августе в безветренную погоду и содержание эфирного масла в древесной зелени.
Содержание Сосна Кедр Пихта Ель Лиственница
Летучие вещества, мг/м3: - под пологом леса - над пологом леса 2,6-3,1 4,1-5,0 2,9-3,5 5,5-6,3 2,1-2,5 6,5-7,0 1,5-1,7 3,1-3,5 2,1-2,3 2,5-2,8
Эфирное масло, % 1,0-1,2 3,1-3,3 4,7-5,0 0,7-0,9 0,4-0,5
Сопоставление результатов анализа свидетельствует о корреляции между содержанием летучих веществ в атмосфере и вкладом эфирного масла в древесной зелени. При его более высоком содержании в ассимиляционном аппарате воздух более насыщен экзометаболитами. Над вершинами деревьев их находится в 1,5-2 раза больше, чем под пологом насаждения, что логично обьясняется повышением температуры в этой зоне. В связи с разной структурой кроны, что существенно отражается на абиотических показателях, содержание летучих веществ под и над пологом светло- и темнохвойных древостоев различается почти вдвое. Приводятся сведения, что их концентрирование в жаркие дни над вершинами деревьев может стать причиной возникновения лесных пожаров.
Возникновению и протеканию верховых пожаров способствует состав летучих экзометаболитов хвойных древостоев, которые в основном состоят из терпеноидов (Степень, Репях, 1998;. Ткачев, 2008). Их соотношение в органической фракции
воздушной среды хвойных фитоценозов оценивается в 93-99 % от ее общей массы (Летучие., 2007). Нижний предел воспламеняемости этих соединений 38 оС, что реально достигается даже в лесостепной зоне.
Состав компонентов летучих выделений хвойных сибирских пород близок и видоспецифичен, что проявляется в превалировании среди экскретов отдельных характерных для каждой древесной породы соединений (Летучие.,.,2007). Среди монотерпеновых углеводородов помимо пиненов, значительный вклад которых характерен для всего семейства сосновых, в экскретах сосны много 3-карена, кедра - лимонена и фелландрена, лиственницы - 3-карена, пихты - кам-фена, ели - камфена и 3-карена. С учетом неблагоприятного влияния на человека окисленного карена (Полтавченко, 1978) включение ельников и лиственничников в пригородные посадки для дистанционного оздоровления городской атмосферы их экзомета-болитами вряд ли нецелесообразно.
Превалирующим компонентом кислородсодержащей фракции летучих экскретов хвойных лесов, как и их эфирных масел, является борнилацетат (Летучие..., 2007). Его высокая бактерицидность, что усиливает полезные благоприятное влияние экзоме-таболитов на оздоровление среды. Наиболее богаты борнилацетатом летучие выделения пихты сибирской. Кедр по этому показателю уступает пихте. Однако, в связи с минимальным вкладом в его фитоор-
Максимальный вклад в составе сравниваемых продуктов приходится на монотерпеновые углеводороды. В эфирном масле это обусловлено естественными процессами метаболизма. При экскрети-ровании большую роль играют физико-химические процессы - летучесть и нерастворимость компонентов в (транспирационной) воде. По этим показателям более предпочтительны монотерпеновые углеводороды, которые и улетучиваются в большей мере. Кислородсодержащие и сесквитерпеноидные соединения менее подвижны - они больше задерживаются в растительных тканях. Такое положение подтверждается при отгонке из древесной зелени эфирного масла, первая фракция которого практически полностью состоит из монотерпенов (Степень, 2015). Соотношение этих фракций в сравниваемых продуктах, особенно светлохвойных пород, является достаточно близким. Вместе с тем они существенно отличаются по составу. В летучих выделениях больше вклад стабильных пиненов, а в эфирном масле - менее устойчивых камфена, лимонена, фелландрена. Возможно, что сравнительно низкое соотношение монотерпенов в атмосфере пихтарников и ельников (60-70 %) связано с протеканием окислительных превращений этих углеводородов. Если в монотерпеновой фракции пихтового и елового эфирных масел их вклад составляет 40-45 %, то в летучих выделениях он уменьшается наполовину.
В соответствии с представлениями акад. И.И. Бардышева (1970) под влиянием кислорода воздуха в монотерпеновых углеводородах протекают преимущественно окислительные и поликонденсационные превращения. Продукты их образования лишь частично фиксируются методом ГЖХ и оседают на адсорбенте в колонке прибора. Все характерные для этих соединений реакции протекают с образованием радикалов и других заряженных частиц. Они служат цент рами конденсации (и выпадения) загрязняющих примесей, очищая тем самым атмосферу (Went, 1966).
Одинаковые источники образования летучей органической фракции и пути превращения ее компо-
ганических выделениях по сравнению с экскретами других хвойных пород 3-карена, кедровники считают лучшими оздоровителями воздушной среды.
Как количественное содержание, так и компонентный состав летучих выделений сибирских хвойных пород коррелируют с данными показателями эфирных масел их древесной зелени (Степень, Репях, 1998). Сравнение их фракционного состава приведено в таблице 2.
,0
нентов способствуют сближению ее компонентного состава в атмосфере хвойных древостоев. Помимо монотерпенов это отмечается при сравнении кислородсодержащих и сесквитерпеноидных фракций летучих выделений и эфирного масла (табл. 2). Если в эфирных маслах основных хвойных пород Сибири вклад этих фракций находится соответственно в пределах 3,4-34,8 и 3,1-18,0 %, то в их летучих выделениях - 14,9-24,6 и 1,8-3,0 %, то есть сокращается более чем в 5 раз.
При близком составе летучих выделений сравниваемых хвойных пород предпочтение при проведении мероприятий по их практическому использованию следует отдавать их количественной стороне -возможности большего продуцирования экскретов. Согласно полученным данным (табл. 1), при решении вопроса более предпочтительными являются пихта сибирская и кедр сибирский, несколько меньше летучие вещества выделяются сосной обыкновенной.
Результаты многолетних исследований и обработка таксационных и массовых показателей большого числа пробных площадей позволили рассчитать годовую эмиссию летучих экскретов 1 га сосновых древо-стоев Красноярской лесостепи. Ее ориентировочная величина, включая поступления от напочвенного покрова, опада и лесной подстилки, в среднем оцениваются в 45 кг, которое варьирует в широких пределах (Степень, 2000). В частности, продуцирование основного источника поступления экзометаболитов - ох-военных побегов - в зависимости от их фитомассы, содержания эфирного масла, условий произрастания, сезона и пр. изменяется в интервале 3,9-34,8 г/га в час. Увеличение вклада эфирного масла в древесной зелени кедра и пихты в 2-3 раза позволяет предполагать, что годовой выход летучих веществ в кедровниках и пихтарниках возрастет до 80-90 кг/га. При посадках с учетом господствующих ветров заметная часть продуцентов будет поступать в атмосферу Красноярска и способствовать улучшению экологической обстановки в городе. Воздействуя на встречной волне, терпе-ноиды будут оздоровливать воздушную среду и очищать ее от примесей.
Таблица 2- Фракционный состав летучих выделений и эфирного масла хвойных древесных пород
Древостой
Эфирное масло
МКС
Сосна 80,1 17,1 2,8 74,4 7,6 18,
Кедр 79,8 17,6 3,0 88,7 3,4 7,9
Лиственница 82,8 14,9 2,3 80,3 11,8 7,9
Пихта 77,2 22,5 2,1 66,7 34,9 3,4
Ель 78,6 24,6 1,8 68,7 28,2 3,1
Фракции: М- монотерпеновая, К - кислородсодержащая, С- сесквитерпеноидная
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования свидетельствуют о возможности снижения экологической нагрузки городской атмосферы за счет летучих экзометаболитов пригородных хвойных насаждений, расположенных с учетом господствующих ветров. Их терпеноидная природа указывает на бактеристатическое действие, химическая активность - на инициирование центров конденсации, ведущей к удалению из воздуха примесей. Наиболее благоприятными полезными свойствами обладают кедровники и пихтарники.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Бардышев И.И. Окисление терпеновых углеводородов / И.И. Бардышев, В.С. Шавырин // Синтетические продукты из канифоли и скипидара. - Горький: Волго-Вятское книжное изд-во. - 1970. - С. 203-219. Голдин Е.Б. Эколого-биохимическое значение терпрак-тическое использование / И.Б.Голдин, В.Г. Голдина // Экосистемы, их оптимизация и охрана. - 2011. - № 4. -С. 104-111.
Летучие экзометаболиты, их свойства и воздействие на растительные организмы и человека / Р.А. Степень, В.А.Рогов, А.В.Рогов и др. - Красноярск: СибГТУ, 2007. - 1000 с.
Осмоловская Н.А. Состав и некоторые потребительские свойства сырья, готовых продуктов и отходов переработки древесной зелени кедра сибирского / Н.А. Осмо-
ловская, В.Н. Паршикова, Р.А.Степень // Химия раст. сырья. - 2001. - № 4. - С. 93-96.
Полтавченко Ю. А. Эфирные масла сибирских видов семейства сосновых, их состав и медицинское значение / Ю.А.Полтавченко // Изучение препаратов растительного и синтетического происхождения. - Томск: ТГУ, 1978. - С. 99-100.
Степень Р.А. Хемотипы красноярской популяции сосны обыкновенной / Р.А.Степень // Сибирский экол. журнал.
- 2000. - № 6. - С. 705-709.
Степень Р.А. Утилизация древесных отходов. Пихтоваре-ние / Р.А.Степень. - Красноярск: СибГТУ, 2015. - 162 с.
Степень Р.А. Оценка загрязнения атмосферы биоиндикационными методами / Р.А.Степень, О.А. Есякова, С.В.Соболева. - Красноярск: СибГТУ, 2013. - 142 с.
Степень Р.А.. Летучие терпеноиды сосновых лесов / Р.А.Степень, С.М.Репях. - Красноярск: СибГТУ, 1998.
- 406 с.
Ткачев А.В. Исследование летучих веществ растительности / А.В.Ткачев. - Новосибирск, 2008. - 969 с.
Фитонциды в эргономике / А.М.Гродзинский, Н.М.Макарчук, Я.С.Лещинская и др. - Киев: Наукова думка, 1986. - 186 с.
Фролов А.К. Окружающая среда крупного города и жизнь растений в нем / А.К.Фролов. - СПб.: Наука, 1998. -328 с.
Фрумин Г.Т. Загрязнение атмосферного воздуха в крупных городах России и риск здоровью / Г.Т. Фрумин // Экол. химия. - 2002. - № 11 (2). - С. 73-77.
Went F.W. On the nature of Aitken condensation nuclei / F.W. Went // Tellus. - 1966. - Vol. 18, № 2-3. - P. 549-556.
Поступила в редакцию 11.01.16 Принята к печати 10.05.16
