Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Vliv rostlin na ovzduší

Mohou rostliny snižovat koncentraci oxidů dusíku?
Publikováno: Vesmír 79, 448, 2000/8

Jednou ze znečisťujících látek, jimž jsou rostliny vystaveny, je oxid dusičitý. Před dvaceti lety se celkový emisní vstup oxidů dusíku (NOx) odhadoval na 150 milionů tun a téměř polovina tohoto množství pocházela z lidské činnosti (viz Vesmír 74, 11, 1995/1). Do atmosféry se oxidy dusíku dostávají spalováním fosilních paliv (ta - s výjimkou podzemních plynů obsahují až 3 % dusíku), v důsledku elektrických výbojů v atmosféře a ozonovou oxidací. Oxid dusnatý (NO) a oxid dusičitý (NO2) se tvoří z atmosférického dusíku (N2), který oxiduje za vysokých teplot při řadě průmyslových procesů. Větší část emisí oxidů dusíku (NOx) je ve formě NO, který v přítomnosti kyslíku a ozonu oxiduje na NO2. 1) Značnou část emisí NO či NO2 mají na svědomí spalovací motory, např. v Anglii tvoří 40 % všech emisí NOx způsobených lidskou činností, ve Švýcarsku 80 %. Z toho přibližně dvě třetiny emisí NOx vznikají při činnosti benzinových motorů a jedna třetina při činnosti motorů dieselových. Při průměrných najetých 20 000 km uvolní jeden automobil 40 kg NOx za rok. Emise NOx na jednoho obyvatele za rok dosahovala v letech 1970-1988 v USA 80 kg a v západní Evropě 40 kg. Životnost NO i NO2 v ovzduší se odhaduje přibližně na 1 den, NO2 může reagovat s organickými látkami (vznikají peroxyacetylnitráty) nebo na slunci s uhlovodíky (vzniká pověstný smog).

Jak rostliny s oxidy dusíku hospodaří

Významnými spotřebiteli oxidů dusíku jsou rostliny, které je vdechují a využívají. Dřívější metody stanovení množství přijatého vzdušného NO2 rostlinami byly založeny na principu ředění značeného dusíku (15N). Rostliny se dají do zkušební komory, jejíž ovzduší obsahuje příměs NO2, a z živného roztoku s dusíkatými solemi svými kořeny přijímají značený (radioaktivní) dusík. Z podílu radioaktivního a neradioaktivního dusíku v rostlině, přijatého z ovzduší, lze usuzovat, že atmosférický NO2 k dusíkaté výživě rostlin přispívá významnou měrou.

Novější metodou je zavedení značeného oxidu dusičitého (15NO2) do růstové komory a analýza množství 15N v rostlině. V řadě pokusů byly aplikovány nerealisticky vysoké koncentrace příměsi NO2 (v hodnotách 300-2000 nanolitrů na litr vzduchu), a tím mohly být výsledky nadhodnoceny. Dnes se již dělají pokusy s koncentracemi odpovídajícími výskytu NO2 v atmosféře (v rozmezí 60-500 nanolitrů). Díky této metodě se zjistilo, že vzdušný NO2 po sloučení s vodou na HNO3 a po redukci vzniklého nitrátového iontu enzymy nitrátreduktázou a nitritreduktázou na amonnou formu je rychle včleněn do aminokyselin listů. Při aplikaci NO2 na rostliny jeví oba enzymy zvýšenou aktivitu. Vdechnuté oxidy dusíku se v mezibuněčném roztoku rozpustí za vzniku nitrátu (soli kyseliny dusičné, dusičnanu) či nitritu (dusitanu) a přes buněčnou membránu vstupují do buňky. Ačkoliv NO je méně rozpustný, může vytvářet nitrity snadněji než NO2. Četné toxické účinky oxidů dusíku na rostliny jsou pravděpodobně způsobeny nahromaděním nitritu, který působí jako metabolický jed.

Kromě metody zjišťující aktivaci nitrátreduktázy a nitritreduktázy se výživná úloha NO2 posuzuje též podle vzrůstu celkového obsahu dusíku, organického dusíku, obsahu aminokyselin, chlorofylu a také vzrůstu biomasy pokusných rostlin.

Ve využívání dusíku z NO2 se rostliny liší. Tak třeba slunečnice tento zdroj využívá velmi intenzivně, a dokonce se spokojí i s atmosférickým NO2 jako jediným zdrojem dusíku. 2) V souvislosti s možnostmi využití NO2 se testovaly také lesní dřeviny. Nitrát při kořenové výživě aktivoval nitrátreduktázu jen v kořenech, v jehlicích aktivována nebyla. Když ale byly jehlice vystaveny účinku emisí NO2, projevila se aktivita nitrátreduktázy i v nich (dobře prokazatelná byla v jehlicích borovice lesní a jedle bělokoré). Nejcitlivějšími rostlinami vůči vzdušným znečisťujícím látkám jsou mechorosty (bryofyty) - nezanedbatelní producenti rostlinné biomasy. Nemají listovou kutikulu (vrstvičku kutinu chránícího pokožkové buňky), a proto znečisťující látky působí přímo na fotosyntetizující buňky. Jenže buňky mechorostů nemají ani buněčné vakuoly, a tak se nitráty či nitrity hromadí v cytoplazmě. 3) I zde bylo prokázáno výživné využití NO2.

Asimilační rozdíly mezi rostlinnými druhy jsou značné. Podle japonských badatelů nejvyšší asimilace (asi 5 mikrogramů na gram sušiny) z 217 zkoumaných druhů dosahují magnolie, blahovičník, topol, tabák a lichostarček.

Sezonní kolísání NO2 a střídání s ozonem
Nejvyšší obsah NO2 v ovzduší bývá v zimních měsících, nejnižší v období vegetační sezony (viz grafy). Sezonní kolísání obsahu emisí NO2 v ovzduší je provázeno opačným kolísáním obsahu ozonu.

Tvorba přízemního ozonu dosahuje maxima ve vegetačních měsících, minima v zimních měsících. Jeho kolísání souvisí se sluneční radiací. NO2 může být oxidován na dusičnanový či dusitanový iont a za přítomnosti vody vznikají příslušné kyseliny.

Pokus o stanovení poklesu NO2 vlivem vegetace

Nejvyšší koncentrace dosahují znečisťující látky, jako jsou NO2, SO2 (oxid siřičitý) či CO (oxid uhelnatý), v lednu, a potom postupně klesají až do léta. V podzimních měsících se jejich obsah zvyšuje až do prosince. Z toho vyplývá, že snižování plynných znečisťujících látek v přízemní atmosféře je závislé zejména na teplotě ovzduší a pravděpodobně je podmíněno zvyšujícím se rozptylem v důsledku zesíleného proudění do horních vrstev atmosféry. Podíl vegetace na poklesu NO2 ve vegetačních měsících se zjišťuje těžko, ale přesto se jej pokusím vyjádřit.

Do výšky horní hranice směšovací vrstvy (700-1400 m) koncentrace NO2 příliš neklesá. V 1000 m byly naměřeny hodnoty 10 nanolitrů na litr vzduchu. Ve vyšších vzduchových vrstvách (1500-2000 m) koncentrace NO2 již klesá na hodnoty 2-0,1 nanolitru. Při průměrném obsahu 10 nanolitrů na litr by nabídka NO2 ze vzduchového sloupce do výšky 1000 metrů činila 6,3 miligramu na metr čtvereční vegetace.

Jestliže vegetace spotřebovává průměrně 50 kg dusíku na hektar za rok (průměrná produkce sušiny včetně podzemní hmoty je 5 tun a průměrný obsah dusíku v rostlinách 1,0 %), připadá 5 g dusíku na metr čtvereční plochy za vegetační měsíce (150 dnů), tj. 33 mg dusíku na metr čtvereční za den. Za předpokladu, že na celkové spotřebě dusíku rostlinami se vzdušný dusík podílí v průměru asi 2 %, sníží metr čtvereční vegetace za den množství dusíku v ovzduší asi o 660 mikrogramů (zhruba 9 % z nabídnutého vzdušného NO2). Při vyšším odběru dusíku rostlinstvem by koncentrace NO2 v ovzduší ve vegetačním období klesla více. Tak jsme dospěli k odhadu možného snížení koncentrace NO2 v ovzduší v důsledku jeho spotřeby rostlinami během pěti vegetačních měsíců.

Jak se polutanty ovlivňují navzájem
Tyto úvahy jsou komplikovány přítomností jiných znečisťujících látek v ovzduší, totiž ozonu a oxidu siřičitého, které mohou na rostliny působit nejen souhlasně s pozitivním účinkem oxidu dusičitého, ale i protichůdně. Například při pokusech s lipnicí luční ve směsi imisí oxidu dusičitého a oxidu siřičitého byl stanoven při nižších koncentracích obou plynů povzbudivý účinek na růst, ale při vyšších koncentracích negativní. Podobně u ječmene směsná koncentrace 40 nanolitrů na litr (týká se obou plynů) průkazně snižovala růst.3) Toxicita oxidu siřičitého se projeví, když míra produkce sulfátu oxidačními pochody přesáhne spotřebu rostlin využívajících síru pro svou výživu. Toxické jsou i vyšší koncentrace ozonu - poškodí se buněčné membrány a ozon reaguje s četnými skupinami bílkovin a enzymů. Tím se omezí význačné fyziologické funkce a využití přijímaného dusíku či oxidu dusičitého se oslabí. Toxické účinky oxidantů (do nichž jsou zahrnovány oxidy dusíku, oxid siřičitý i ozon) jsou pravděpodobně zprostředkovány tvorbou volných radikálů, jako jsou superoxidový aniont O2., volný hydroxyradikál OH. či peroxid vodíku (H2O2).

O negativních účincích uvedených látek rozhoduje jejich koncentrace v ovzduší. Podle naměřených hodnot na venkově v ČR dnes rostliny nejsou ve vegetačním období vyššími koncentracemi NOx ohroženy. Na četných místech sice lokální maxima dosahují vyšších koncentrací, nemají však dlouhé trvání, tudíž ani účinnost. Podstatně vyšší koncentrace se vytvářejí v městských aglomeracích s intenzivním automobilovým provozem.

Důsledky využívání NOx rostlinami jsou různé (viz Vesmír 74, 573, 1995/10). Z příkladů příjmu a využívání dusíku ve formě oxidů NOx rostlinami však lze soudit, že mnohé rostliny mohou lokálně snižovat koncentraci oxidů NOx a oxidu siřičitého, a tím přispívat k zlepšování ovzduší. 4)

Poznámky

1) Podle příručky vydané OSN (Transboundary Air Pollutions, New York 1986) se v roce 1986 příměs NOx pohybovala v městských oblastech v rozmezí 20-50 nl na litr vzduchu s přibližně stejným poměrem NO2/NO. Ve venkovských oblastech se koncentrace pohybovaly v rozmezí 2-30 nl, přičemž NO2 tvořil převažujících 80 %. V České republice byly v r. 1997 naměřeny průměrné koncentrace NO2 v ovzduší kolem 12,5 nl. V městském ovzduší dosahovaly koncentrace v průměru dvojnásobně vyšších hodnot 18,2 nl ve srovnání s venkovskými regiony, kde průměrné koncentrace dosahovaly hodnot 6,9 nl na litr.
2) U slunečnice se studoval příjem dusíku v rozmezí koncentrací 2 až 42 nl na litr a při koncentraci 30 nl na litr byla stanovena intenzita příjmu 2,7 g dusíku za hodinu na decimetr listové plochy. Když byla slunečnice vystavena dva týdny koncentraci 500 nl 15NO2 na litr vzduchu, příjímala 23 g dusíku na decimetr plochy za hodinu. Za stejných podmínek rajče 17 g a kukuřice 12 g. Při koncentraci asi 30 nl NOx na litr vzduchu dosahuje podíl výživy ze vzdušných zdrojů 1-3 % z celkového příjmu dusíku rostlinou.
3) Těžko lze mluvit o rostlinách obecně, každá totiž reaguje jinak. Dusík je účinný při zvyšování produkce stále menšího počtu druhů, ale zároveň redukuje počty druhů ve společenstvech původně druhově velmi bohatých (viz L. Nátr, Vesmír 74, 573, 1995/10).
4) Děkuji RNDr. K. Krškovi, CSc., a Ing. Z. Elfenbeinovi z Českého hydrometeorologického ústavu v Brně za konzultace, podklady a připomínky k článku.

Soubory

Článek ve formátu PDF: 2000_V446-449.pdf (219 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky