Vliv rostlin na ovzduší

Jednou ze znečisťujících látek, jimž jsou rostliny vystaveny, je oxid dusičitý. Před dvaceti lety se celkový emisní vstup oxidů dusíku (NO_x) 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 (NO_x) 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 NO_x způsobených lidskou činností, ve Švýcarsku 80 %. Z toho přibližně dvě třetiny emisí NO_x vznikají při činnosti benzinových motorů a jedna třetina při činnosti motorů dieselových. Při průměrných najetých 20 000 km uvolní jeden automobil 40 kg NO_x za rok. Emise NO_x 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.

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.

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