5.2.3 Накопление тяжелых металлов в растениях. Тяжелые металлы в растениях

5.2.3 Накопление тяжелых металлов в растениях

и сельскохозяйственной продукции

Накопление растениями тяжелых металлов осуществляется корнями из почвы и непосредственно из атмосферы. Например, загрязнение растений атмосферным кадмием составляет 20 – 60% от всего его содержания в растениях. Свинец в основном поступает через корни, тем не менее, и он способен поглощаться через листья. Накопление атмосферного свинца у растений вблизи автомобильных дорог может достигать до 40% от его общего количества в растениях. Основное количество свинца сосредоточено в вегетативных органах, а в репродуктивных накапливается до 7% от общего количества. Кинетика поглощения тяжелых металлов определяется двумя последовательными процессами, заключающимися в проникновении в свободное пространство и поступлении их внутрь клетки. Соотношение между количеством ионов в свободном пространстве и внутри клеток зависит как от продолжительности поглощения, так и от вида ионов. Поглощение тяжелых металлов растениями является энергетически независимым процессом, в то время как их транспорт в растительной клетке – энергетически зависимым. Поглощение корнями осуществляется через преодоление мембраны клеточной оболочки и прохождение через плазмалемму, цитоплазму и тонопласт аноплазматическим и симплазматическим методами.

В живых организмах тяжелые металлы играют двоякую роль. В малых количествах они входят в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальный ход жизнедеятельности организмов. Нарушение концентраций, в результате техногенного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, приводит к отрицательным последствиям для живых организмов. Тяжелые металлы условно делятся на фитотоксичные и токсичные для человека и животных. К фитотоксичным относятся, прежде всего, медь, никель и цинк. Одни и те же металлы оказывают неодинаковое действие на различные виды растений. По способности аккумуляции тяжелых металлов различными культурами установлены следующие ряды:

овес - Ni > Cu > Co > Cr > Zn > Mn; пшеница - Cd > Ni > Cu > Zn; рожь - Zn > Cd > Pb > Cu; картофель - Cd > Cu > Zn > Cr > Ni > Mn.

Поступление и накопление тяжелых металлов в растениях определяется способностью вида поглощать и накапливать металлы и наличием физиолого-биохимических защитных механизмов. В растениях ячменя, например, количество свинца возрастает с увеличением содержания его в почве. При его высоком уровне в почве свинец накапливается в больших количествах в вегетативных органах и на порядок меньше – в репродуктивных. В значительной мере токсичность свинца проявляется на кислых почвах и заметно снижается при их известковании, применении органических и минеральных удобрений. Наибольшее количество меди поглощают картофель, гречиха и морковь. Большая часть кадмия в зерновых культурах сосредоточена в корнях и значительно меньше – в зерне. Повышенное содержание этого элемента в растениях сопровождается покраснением и хлорозом листьев. Содержание хрома в растениях невелико и обычно составляет около 0,0005 мг/кг. Основное его количество содержится в корневой системе. Обычно многолетние растения содержат ртути значительно больше, чем однолетние культуры. Однако, например, надземные органы картофеля и подсолнечника, содержат этого металла в два – три раза больше, чем зерновые культуры. Кислотно-основные свойства и содержание гумуса является главными показателями, определяющими характер поведения тяжелых металлов в почве, их доступность растениям. Токсичные для растений концентрации тяжелых металлов, в зависимости от свойств почв, могут варьировать в значительных пределах. К сожалению, сегодня не достаточно накоплено фактического материала по тяжелым металлам, их токсичности, предельно допустимым концентрациям и так далее. Задачей наших исследований было получение достоверной информации о накоплении тяжелых металлов в почве и растениях в местах интенсивного движения автотранспорта. Выявить влияние интенсивности движения автотранспорта на количественное и качественное содержание тяжелых металлов в почве, растениях и сельскохозяйственной продукции. Получить достоверную информацию о степени загрязнения окружающей среды в городе Балашове и поселках Балашовского района.

Для сравнения и оценки качественного и количественного содержания тяжелых металлов в растениях в качестве объекта исследований было взято одно из самых распространенных растений, произрастающих на всех пробных площадках города Балашова и поселках Балашовского района – клевер луговой (TrifoliumpratenseL.). Опытные образцыT.pratenseL. отбирались на тех же пробных площадях, где и образцы почв для определения количественного и качественного состава тяжелых металлов в различных районах города Балашова, на территории Балашовского лесхоза и в поселках Барки, Пады, Рассказань и Красная Кудрявка, расположенных в Балашовском районе. А также в районе организации ООО «Балашов-зерно», являющейся одним из основных поставщиков сельскохозяйственной продукции для города и района.

Результаты исследований отражены в приложении, табл. П.18. Накопление тяжелых металлов в TrifoliumpratenseL. с 2001 г. по 2005 г. в городе Балашове и поселках Балашовского района отражено в табл. 5.23 и на рис. 5.13.

Таблица 5.23 -Содержание тяжелых металлов в Trifolium pratense L.,мг/кг сухого вещества, среднее значение в 2001г. и 2005 г.

2001 г.

Продолжение табл. 5.23

2005 г.

Как видим из табл. 5. 23 и рис. 5. 13, содержание ртути и других тяжелых металлов в T. pratense L. к 2005 г. повысилось по сравнению с 2001 г. Однако содержание, например, ртути на всех пробных площадях остается ниже значения ПДК. Вместе с тем, в растениях, произрастающих на пробных площадях автовокзала и АЗС, то есть, в местах с интенсивным движением автотранспорта и относительно значительным содержанием ртути в почве, содержание этого токсичного металла составляет, соответственно, 0,012 и 0,016 мг/кг, то есть приближается к ПДК. Превышение ПДК зарегистрировано в растениях практически на всех пробных площадях по содержанию кадмия и марганца, по кобальту - только на трех пробных площадях (автовокзал, КПТ и АЗС). Получены аналогичные результате и по содержанию, и по динамики роста количества тяжелых металлов в растениях с пробных площадей №9 -№13, то есть с растений произрастающих на пробных площадях в поселках Балашовского района и ООО «Балашов – зерно»

Превышение ПДК по цинку отмечается в районе Автовокзала, КПТ, АЗС, ЖБК и на проспекте Макаренко, по свинцу отмечено в растениях на всех пробных площадях, за исключением условно-фоновой территории – территории в районе лесхоза. Для сравнения на рис. 5.14 приведено содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих на территории автовокзала (интенсивное движение автотранспорта) и территории лесхоза (условно-фоновая зона), а также приведено значение ПДК.

В приложении, табл. П.19 –П.25 и табл.5.24 приведены вычисленные значения коэффициентов корреляции, показывающих степень тесноты связи между содержанием металла в почве пробных площадей города Балашова и его содержанием в растениях T. pratense L.

.

Таблица 5.24 – Коэффициенты корреляции между содержанием тяжелых металлов в почве и растениях T. pratense L., мг/кг сухого вещества, среднее значение (2005 г.)

Наблюдается довольно тесная (значения коэффициента корреляции составляют от 0,72 по марганцу, до 0,94 по меди), положительная связь между содержанием тяжелых металлов в почве и растениях Trifolium pratense L. Кроме того, прослеживается динамика накопления, с годами, тяжелых металлов в растениях T. pratense L. К 2006 году содержание по некоторым тяжелым металлам в растениях значительно превышает ПДК, что создает определенную экологическую проблему для населения городов и сел Балашовского района. Проблема заключается не только в том, что в результате повышения интенсивности движения автотранспорта, ухудшается состояние окружающей среды, но и в том, что жители небольших городов и поселков, рядом с автомагистралями, в палисадниках и на приусадебных участках выращивают овощи и фрукты. Овощи и фрукты накапливают в значительных количествах токсичные вещества, поступающие, в конечном итоге, в организм человека.

Следует отметить, что в городе Балашове и населенных пунктах Балашовского района, традиционно, широко культивируется вишня домашняя (CerasusvulgarisMill.). Этот вид используется не только в садах и парках, но и внедрен в озеленение и высаживается практически перед каждым домом, на каждой улице. Действительно, следует отметить, что вид чрезвычайно декоративен, особенно, во время цветения и плодоношения. Однако с загрязненных территорий вишня попадает в пищу, а листья вишни применяются в солениях. Особую группу риска представляют дети, которые питаются плодами, загрязненными токсичными веществами, в том числе и металлами, с растений, произрастающих в палисадниках, на улицах - вблизи от проезжей части.

В табл. 5.25 отражена динамика повышения содержания тяжелых металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) во времени (с 2001 по 2005 г. включительно) и в зависимости от интенсивности движения автотранспорта, а также от содержания тяжелых металлов в почве пробных площадей.

Таблица 5.25 - Содержание тяжелых металлов (среднее) в листьях вишни домашней (Cerasus vulgaris Mill.), мг/кг сухого вещества (2001 -2005 гг.)

2001 г.

Продолжение табл. 5.25

2005. г.

Как видим из табл. 5.25, содержание тяжелых металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) по ртути на всех пробных площадях к 2006 г. оказалось значительно ниже ПДК. По свинцу превышение ПДК отмечено в районе автовокзала. Однако следует отметить, что в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) на других пробных площадях, характеризующихся, как и автовокзал, относительно интенсивным движением автотранспорта, содержание свинца приближается к значению ПДК. Содержание марганца в листьях растений в. домашней (C.vulgarisMill.) на всех пробных площадях несколько превышает ПДК, а в районе автовокзала составляет 8,4 мг/ кг, что соответствует 1,87 ПДК. По цинку превышения ПДК зарегистрировано на трех пробных площадях (автовокзал, АЗС, пер. Макаренко). На остальных пробных площадях, включая условно-фоновую зону, содержание цинка близко к значению ПДК. Что касается кобальта и меди, то содержание этих металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) на всех пробных площадях значительно ниже ПДК. Тревогу вызывает кадмий, содержание которого в районе автовокзала в два раза, а в районе АЗС – в 1,7 раза превышает значение ПДК и только на станции юных натуралистов, и в районе лесхоза содержание этого металла ниже ПДК. Зависимость содержания тяжелых металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) от их содержания в почве, а, следовательно, и от интенсивности движения автотранспорта в районе пробных площадей отражена в табл. 5.26. Аналогичные результаты получены и в поселках Балашовского района. Во всех четырех поселках, в растениях в. домашней (C.vulgarisMill.) отмечено содержание ртути, меди и кобальта ниже ПДК. В п. Барки в растениях содержание свинца ровняется 1 ПДК, содержание марганца, цинка и кадмия – выше ПДК. В остальных поселках превышение ПДК зарегистрировано только по марганцу и в п. Пады – по кадмию.

Таблица 5.26 – Коэффициент корреляции между

studfiles.net

Тяжелые металлы и их влияние на растения

Введение

Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). Изучение минерального питания растительных организмов включает в себя знакомство и с микроэлементами.

В настоящее время при помощи специальных, особо чувствительных методов удалось определить в составе организмов свыше 60 таких химических элементов. Однако можно утверждать, что названное число не является пределом и в состав организмов в самом деле входят все известные химические элементы и их изотопы, (как стабильные, так и радиоактивные).

Химические элементы, которые, входя в состав организмов растений, животных и человека, принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической ролью, получили название биогенных элементов. К числу биоэлементов относятся: азот, водород, железо, йод, калий, кальций, кислород, кобальт, кремний, магний, марганец, медь, молибден, натрий, сера, стронций, углерод, фосфор, фтор, хлор, цинк.

Указанный перечень будет, несомненно, увеличиваться по мере роста наших знаний. Например, биогенное значение кобальта и молибдена определилось недавно. Некоторые элементы биогенны только по отношению к определенным классам, родам, а иногда и видам организмов. Например, бор необходим для растений, но пока не может считаться биогенным по отношению к животным и человеку.

Значительное количество химических элементов, постоянно обнаруживаемых в организмах, оказывает определенное влияние на течение процессов обмена веществ и на ряд физиологических функций в эксперименте, однако еще не известно, какую роль эти элементы играют в организмах в природных условиях, и поэтому их биогенное значение пока сомнительно. К таким элементам относятся алюминий, барий, бериллий, бром, висмут, галлий, германий, кадмий, литий, мышьяк, никель, олово, радий, ртуть, рубидий, свинец, серебро, сурьма, титан, уран, хром, цезий.

Количественное содержание биоэлементов, входящих в состав организмов, сильно варьирует в зависимости от среды обитания, способа питания, видовой принадлежности и т. п.

Основную массу живого вещества (99,4%) составляют так называемые макроэлементы: О, С, Н, Са, N, К, Р, Мg, S, Cl, Na.

К числу микроэлементов, содержание которых в организме исчисляется тысячными и даже триллионными долями процента, относятся: железо, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк, кадмий, фтор, йод, селен, стронций, бериллий, литий и др.

Микроэлементам, несмотря на их малое количественное содержание в организмах, принадлежит значительная биологическая роль. Помимо общего благоприятного влияния на процессы роста и развития, установлено специфическое воздействие ряда микроэлементов на важнейшие физиологические процессы — например, фотосинтез у растений.

Связь между ролью элемента в живом организме и положением его в периодической системе хорошо прослежена для многих микроэлементов, однако далеко еще не все стороны этой зависимости изучены в достаточной степени.

Обратимся теперь к сущности влияния микроэлементов на живой организм. Наиболее характерна высокая биологическая активность микроэлементов, т. е. способность чрезвычайно малых доз их оказывать сильное действие.

Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы и организме объясняется тем, что они вступают в теснейшую связь с биологически активными органическими веществами — гормонами, витаминами. Изучена также их связь со многими белками и ферментами. Именно указанными взаимоотношениями и определяются основные пути вовлечения микроэлементов в биологические процессы.

В настоящее время твердо установлена связь между микроэлементами и витаминами. Показано, что марганец необходим для образования в ряде растений витамина С (аскорбиновой кислоты), предохраняющего человека и, некоторых животных от заболевания цингой. Есть данные, показывающие, что введением марганца можно вызвать образование аскорбиновой кислоты в организме тех видов животных, которые обычно неспособны к выработке этого витамина. Марганец, по-видимому, нужен и для действия витамина D (антирахитного) и B1 (антиневритного). Намечается связь между микроэлементом цинком и витамином В1. Однако наиболее интересно открытие антианемического витамина B12, недостаток которого в организме приводит к тяжелым формам анемии (злокачественному малокровию). Оказалось, что этот витамин — соединение микроэлемента кобальта и сложной органической группы.

Как известно, многие металлы, преимущественно микроэлементы, в растворах обладают ярко выраженным каталитическим действием, т. е. способны в значительной степени, в сотни тысяч и миллионы раз, ускорять течение химических реакций. Это каталитическое действие микроэлементы проявляют и в живом организме, особенно тогда, когда они вступают во взаимодействие с органическими веществами, содержащими азот.

Максимальную каталитическую активность металлы как таковые или, чаще, их металлоорганические (органо-минеральные) соединения приобретают, вступая в соединения с белками. Именно такое строение имеют многие биологические катализаторы — ферменты. Помимо значительного повышения активности, роль белкового компонента заключается в придании таким соединениям, в основном ферментам, специфичности действия.

При взаимодействии микроэлементов с белковыми компонентами ферментов образуются металлоэнзимы. Состав большой группы металлоэнзимов характеризуется наличием в них металла в качестве стабильного комплекса (железосодержащие ферменты — каталаза, пероксидаза, цитохромы, цитохромоксидаза и др.).

Геохимические процессы, непрерывно протекающие в земной коре, и эволюция химического состава организмов— процессы сопряженные. Жизнь, по В. И. Вернадскому, не составляет внешнего, случайного явления на земной поверхности, а теснейшим образом связана со строением земной коры.

Содержание элементов в живом веществе пропорционально составу среды обитания организма с поправкой на растворимость соединений, включающих эти элементы.

С геохимическими провинциями земли тесно связаны биогеохимические провинции—области, характеризующиеся более или менее одинаковой концентрацией одного или нескольких элементов. В пределах биогеохимических провинций с избыточным или недостаточным содержанием определенных элементов наступает своеобразная биологическая реакция флоры и фауны данной области, что проявляется в эндемических заболеваниях растений и животных—биогеохимических эндемиях.

Влияние основных тяжелых металлов на растения

Кобальт

В биосфере кобальт преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения — концентраторы кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация кобальта — в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10-3% кобальта, в песчаниках 3·10-5, в известняках 1·10-5. Наиболее бедны кобальтом песчаные почвы лесных районов. В поверхностных водах его мало, в Мировом океане его лишь 5·10-8%. Будучи слабым водным мигрантом, он легко переходит в осадки, адсорбируясь гидроокисями марганца, глинами и другими высокодисперсными минералами.

Содержание кобальта в почвах определяет количество этого элемента в составе растений данной местности, а от этого зависит поступление кобальта в организм травоядных животных.

Постоянно присутствуя в тканях растений, кобальт участвует в обменных процессах. В животном организме его содержание зависит от его уровня в кормовых растениях и почвах. Концентрация кобальта в растениях пастбищ и лугов в среднем составляет 2,2·10-5—4,5·10-5% на сухое вещество. Способность к накоплению этого элемента у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. В связи с высокой способностью к концентрации кобальта морские водоросли по его содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде его значительно меньше, чем в почвах. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других семейств. В микродозах кобальт является необходимым элементом для нормальной жизнедеятельности многих растений и животных. Вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными.

Кобальт применяют в сельском хозяйстве как микроудобрения – удобрения, содержащие микроэлементы (В, Cu, Mn, Zn, Со и др.), т. е. вещества, потребляемые растениями в небольших количествах.

Известкование почв снижает усвояемость растениями кобальта. Так же влияет избыток марганца и железа в почвах; наоборот, фосфор усиливает поступление кобальта в растения.

Применение кобальтовых солей (сернокислого кобальта) в качестве удобрений, как оказалось, способствует ускорению созревания ячменя, повышает урожай семян красного клевера, увеличивает содержание жира в семенах льна. Под влиянием кобальта повышается урожайность сахарной свеклы.

Внесение 300 г сернокислого кобальта на 1 га значительно повышает урожай винограда: вес ягод увеличивается на 35%, сахаристость — на 14%, кислотность снижается на 10%.

М. Я. Школьник предлагает вносить кобальт в качестве удобрений в следующих дозах: внесение в почву перед посевом — 2—6 кг на 1 га; внесение в междурядье в виде подкормки — 0,5 кг на 1 га; внекорневое питание— 0,1-процентный раствор; намачивание семян — 0,1-процентный раствор. При внесении кобальтовых удобрений с самолета применяется измельченный сернокислый кобальт в дозе 1,415 кг на 1 га.

Помимо чистых химических соединений кобальта, в качестве удобрений могут быть также использованы продукты переработки шлаков никелевого производства и колчеданных огарков.

Молибден

Среднее содержание молибдена в почвах составляет 0,0003%, в изверженных породах — 0,000154%, в осадочных породах —0,00024%. Больше всего молибдена находится в болотистых почвах и в почвах тундр. Богатство почв органическими веществами обусловливает низкий окислительный потенциал среды.

Наиболее растворимы в воде и доступны для растений соединения Мо6 в нейтральной и слабощелочной среде. На кислых почвах молибден мало доступен растениям, поэтому в таких условиях сказывается положительно внесение молибденовых удобрений. Влияние молибдена зависит от многих факторов: на кислых почвах эффект молибдена зависит от содержания подвижного алюминия (чем больше алюминия, тем выше эффект молибдена). Между молибденом и марганцем наблюдается обратная зависимость—избыток марганца вызывает недостаток молибдена, и, наоборот, присутствие молибдена улучшает состояние растений (льна), болеющих на кислых почвах от избытка марганца. Антагонистическая зависимость наблюдается также между молибденом и медью (молибден вытесняет медь).

Молибден особенно важен для бобовых растений; он концентрируется в клубеньках бобовых, способствует их образованию и росту и стимулирует фиксацию клубеньковыми бактериями атмосферного азота. Входя в состав фермента нитраторедуктазы (являющейся по своему строению молибдофлавопротеином), молибден восстанавливает нитраты у высших и низших растений и стимулирует синтез белка в них. Поэтому в условиях недостатка молибдена в растениях накапливаются нитраты, одновременно уменьшаются азотистая растворимая фракция и уровень азотистой белковой фракции. Молибден и марганец, по-видимому, катализируют отдельные реакции, каждая из которых влияет на концентрацию аминокислот — промежуточных продуктов белкового обмена. Молибден активирует реакцию, ведущую от нитратов к образованию аминокислот, тогда как марганец, по-видимому, активирует дальнейшие фазы превращения аминокислот в белки.

Молибден оказывает положительное влияние не только на бобовые растения, но и на цветную капусту, томаты, сахарную свеклу, лен и др. Растениями-индикаторами недостатка молибдена могут быть томаты, кочанная капуста, шпинат, салат, лимоны.

Молибден необходим не только для процесса синтеза белков в растениях, но и для синтеза витамина С и каротина, синтеза и передвижения углеводов, использования фосфора.

Болезни молибденовой недостаточности:

- болезнь нитевидности цветной капусты. Выражается в уменьшении листовой пластинки. Поражает растения на кислых почвах: известкование может предотвратить появление болезни. Описана преимущественно в Австралии и Новой Зеландии.

- желтая пятнистость цитрусовых (рис.1). Выражается в появлении желтых пятен на листьях, быстро опадающих. При этом значительно уменьшается количество плодов. Заболевание наблюдается во Флориде (США).

Применяются различные способы внесения молибдена в качестве удобрения. Так, урожай и сахаристость сахарной свеклы увеличиваются при внесении в почву путем подкормки в междурядья на 0,5 кг с 1 га, при непосредственном внесении в почву—на 2,8 кг с 1 га. То же было установлено названным автором при изучении действия молибдена (молибденовокислого аммония) на урожай семян красного клевера. На неизвесткованной почве эффект молибдена значительно более выражен.

Ввиду высокой стоимости молибденовых солей рекомендуют применение предпосевной обработки семян — 0,8 г/л. При этом методе потребность в молибденовых солях уменьшается в сотни раз. Для внекорневого питания потребность в молибдате аммония составляет 600 л 0,03—0,05-процентного раствора на 1 га.

Никель

Содержание никеля в почвах составляет 0,004%, в природных поверхностных водах — 0,000 000 34%. В растениях в среднем содержится 0,00005% на живой вес (в зависимости от вида растения, местности, почвы, климата и др.). Растения в районе никелевых месторождений могут накоплять в себе значительные количества никеля. При этом наблюдаются явления эндемического заболевания растений, например уродливые формы астр, что может быть биологическим и видовым индикатором в поисках никелевых месторождений. Морфологически измененные анемоны в обогащенных никелем биогеохимических провинциях концентрируют никель в 30-кратном размере; повышенное содержание никеля в почвенных растворах и в почвах Южного Урала, обогащенных никелем в 50-кратном размере, является причиной появления уродливых форм у сон-травы (семейство лютиковых) и грудницы (семейство сложноцветных).

Критические значения концентрации никеля в питательном растворе—1,5 мг/кг и в сухой массе ячменя, выращенного на такой среде — 26 мг/кг. Токсический уровень этого элемента в листьях растений начинается с превышения 1,0 мг/кг сухой массы.

При усвоении никеля растениями происходит взаимодействие с содержащимися в почве железом, кобальтом, хромом, магнием, медью, цинком, марганцем; при этом ионы марганца и магния не ингибируют, а ионы кобальта, меди, железа и цинка — ингибируют абсорбцию никеля на 25—42%. Существуют указания на то, что растения, произрастающие на серпентиновых почвах, не проявляют признаков токсического повреждающего воздействия никеля, в случаях, если соотношение медь: никель равно или более 1, или соотношение железо: никель равно или более 5. Среди растений существует различие в чувствительности по отношению к воздействию никеля. Токсические уровни никеля в листве растений (млн -1 сухой массы): рис 20—25, ячмень 26, виды твердой древесины 100—150, цитрусовые 55—140, сорняки 154. Типичные симптомы повреждающего токсического действия никеля: хлороз, появление желтого окрашивания с последующим некрозом, остановка роста корней и появления молодых побегов или ростков, деформация частей растения, необычная пятнистость, в некоторых случаях — гибель всего растения.

Марганец

Марганец находится в почвах в среднем в количестве 0,085%. Однако в отдельных случаях при высоком общем содержании марганца в почвах количество усвояемых его форм, переходящих в солянокислую или солевую форму, может быть явно недостаточно. В среднем растворимая часть Мn в почве составляет 1 —10% от общего его содержания.

Кислая реакция почвы (при рН ниже 6,0) благоприятствует усвоению растениями Мn2+ ; слабощелочная реакция (рН выше 7,5) стимулирует образование гидрата Мn(ОН)2, трудно усваиваемого растениями.

Подвижность марганца в пахотном слое также определяется буферностью почв по отношению к кислотам, что зависит от суммы обменных оснований (преимущественно Са и Mg) в них. При высокой буферности почв подвижность Мn2+ уменьшается. При низкой буферной емкости почв подвижность марганца выше. Марганец мобилизует фосфорную кислоту почвы. Целый ряд почвенных микроорганизмов, участвующих в усвоении растениями атмосферного азота, усиливают свою активность под влиянием марганца.

Среднее содержание марганца в растениях равно 0,001 %. Марганец служит катализатором процессов дыхания растений, принимает участие в процессе фотосинтеза. Исходя из высокого окислительно-восстановителыюго потенциала марганца можно думать, что марганец играет такую же роль для растительных клеток, как железо — для животных.

Марганец входит в состав либо является активатором ряда ферментативных систем; регулирует отношение Fe2+↔Fe3+, тем самым влияя на окислительно-восстановительные процессы, совершающиеся с помощью железа.

Марганец усиливает гидролитические процессы, в результате чего нарастает количество аминокислот, способствует продвижению ассимилятов, образующихся в процессе фотосинтеза от листьев к корням и другим органам. По данным П. А. Власюка, марганец при нитратном питании растений ведет себя как восстановитель, тогда как при аммиачном — как окислитель. Благодаря этому с помощью марганца можно воздействовать на процессы сахарообразования и синтеза белков.

Благотворное влияние марганца на рост и развитие растений очевидно; так, И. В. Мичурин подметил, что у гибридных сеянцев миндаля под влиянием марганца срок первого плодоношения ускоряется на 6 лет. Этот факт явился первым описанным в литературе случаем замечательного ускорения роста и созревания растений под влиянием микроэлементов.

При недостатке марганца в почвах (низком содержании либо неблагоприятных условиях для усвоения его растениями) возникают заболевания растений, характеризующиеся в общем появлением на листьях растений хлоротичных пятен, которые в дальнейшем переходят в очаги некроза (отмирания). Обычно при этом заболевании происходит задержка роста растений и их гибель. У различных видов растений заболевание марганцевой недостаточностью имеет свои специфические проявления и получило соответственные названия.

- cерая пятнистость злаков наблюдается у овса, ячменя, пшеницы, ржи, кукурузы. Характеризуется появлением на листьях узкой поперечной линии увядания. Листья загибаются по линии увядания и свешиваются вниз. У кукурузы на листьях появляются отдельные хлоротичные пятна, в дальнейшем отмирающие, что ведет к образованию отверстий на листьях. Болезнь распространена обычно на щелочных почвах при высоким содержании гумуса.

- болезнь сахарного тростника – на молодых листьях появляются длинные беловатые полосы хлоротичных участков, в дальнейшем краснеющие; на этих местах наступает разрыв листьев. Содержание марганца в листьях резко падает; наблюдаются лишь следы (вместо 0,003% в норме). Заболевание растений развивается на щелочных и нейтральных почвах. Внесение в почву серы, суперфосфатов (веществ, подкисляющих почву и повышающих содержание доступного марганца) излечивает или предупреждает названное заболевание.

- пятнистая желтуха сахарной свеклы, а также кормовой, столовой свеклы и шпината. В пространствах между жилками листьев появляются желтые хлоротичные участки; края листьев заворачиваются кверху. Содержание марганца в тканях больных растений резко уменьшается: в здоровом листе сахарной свеклы обычно 181 мг марганца на 1 кг сухого вещества, а в больном — лишь 13 мг на 1 кг.

- болотная пятнистость семян гороха. Поражаются как листья (легкий хлороз), так и, главным

образом, семена гороха. На семенах появляются коричневые или черные пятна; на внутренней поверхности семядолей образуются полости. Рядом с больными могут находиться и здоровые семена.

- болезни плодовых растений проявляются в хлорозе листьев (у главной жилки), преимущественно старых (недостаточность железа проявляется главным образом на молодых листьях). Отмирают ветви, светлеют плоды. Сильнее всего поражается груша; вишня и яблоня — меньше.

- пятнистость листьев тунга. Заболевание встречается преимущественно в США. При низком содержании обменного марганца в почвах, на листьях между жилками появляются хлоротичные участки, разрастающиеся в пятна.

Встречается также серая пятнистость клубники и другие заболевания.

Явление недостаточности марганца у растений в виде приведенных выше специфических заболеваний наблюдается при значительном дефиците марганца в почвах, однако и при относительном недостатке подвижного марганца могут наблюдаться «стертые» формы недостаточности, проявляющиеся в задержке роста, уменьшении урожайности и т. п.

Обогащение растений марганцем ведет к улучшению роста, плодоношения деревьев и урожайности многих культур, что нашло практическое использование. В качестве удобрений применяют отходы марганцеворудной промышленности, отходы производства серной кислоты и др.

Марганцевые отходы имеют преимущество перед чистыми марганцевыми солями: они используются растениями постепенно и действуют более эффективно. Доза удобрений зависит от источника получения отходов и от вида растений.

Внесение марганцевых отходов в почву в качестве удобрений положительно сказывается на урожайности сахарной свеклы, озимой пшеницы, кукурузы, картофеля, овощных культур и других культур, уменьшает полегаемость растений. Помимо обычного внесения марганцевых удобрений в почву, применяют и другие методы использования марганца, при которых исключаются неблагоприятные условия усвояемости марганца из почв.

Избыток марганца, так же как и его недостаток, неблагоприятно сказывается на растениях.

Л. П. Виноградов отмстил значительные морфологические изменения у растений, произрастающих на богатых марганцем почвах (например в Чиатури).

 По данным Л. Я. Леванидова, существуют растения, способные в значительной степени накапливать марганец; такие растения называют манганофилами. Способность концентрировать марганец не обязательно свойственна всем видам данного рода и не связана с систематическим положением растения. Концентраторами марганца являются лютик золотистый, полынь лекарственная, некоторые папоротники, сосна, береза, пасленовые.

Растения-манганофилы активно извлекают марганец из почв. Если растения-манганофилы произрастают на почвах с малым содержанием легко усвояемого марганца, то они особенно страдают от его недостатка. Так, на черноземе, бедном доступным марганцем, могут произрастать только такие растения-манганофилы, как береза, мобилизующая марганец своими кислыми корневыми выделениями.

Медь

Общее содержание меди в почвах составляет около 0,002%, причем на долю растворимой части приходится около 1% этого количества.

В почвах встречаются несколько форм меди, в различной степени усваиваемой растениями:

а)водоорастворимая медь, б)обменная медь, поглощенная органическими и минеральными коллоидами, в)труднорастворимые медные соли, г)медьсодержащие минералы, д)комплексные металлоорганические соединения меди.

Подвижность меди и поступление ее в растения уменьшаются при известковании почв, связывании меди в виде органических соединений и закреплении почвенным гумусом. Часть меди почв прочно связана с почвенными перегнойными кислотами — гуминовой, креновой, апокреновой; в этой форме она становится неподвижной и неусвояемой для растений.

Медь образует также комплексные соединения с рядом органических кислот — щавелевой, лимонной, малеиновой, янтарной. Важную роль в фиксации меди играют микроорганизмы почвы.

Количество воднорастворимой доступной меди определяет в основном условия жизни растений в данной местности. Растения богатых медью почв обогащаются названным элементом, причем некоторые виды приобретают устойчивость даже к очень высоким концентрациям этого металла.

Медь необходима для жизнедеятельности растительных организмов. Почти вся медь листьев сосредоточена в хлоропластах и тесно связана с процессами фотосинтеза; она участвует в синтезе таких сложных органических соединений, как антоциан, железопорфирины и хлорофилл; медь стабилизирует хлорофилл, предохраняет его от разрушения.

Медь входит в качестве структурного компонента в состав соединения с белком (медьпротеида, содержащего 0,3% меди), образуя окислительный фермент полифенолоксидазу. Этот фермент впервые был обнаружен в клубнях картофеля, шампиньонах, а в дальнейшем в составе большинства распространенных растений.

Хотя этот фермент может окислять лишь определенные фенольные соединения, однако присутствие в растительных тканях наряду с оксидазой пирокатехина или ортохинона позволяет полифенолоксидазе участвовать в окислении большого количества органических соединений.

Медь способствует синтезу в растениях железосодержащих ферментов, в частности пероксидазы.

Установлено положительное влияние меди на синтез белков в растениях и благодаря этому — на водоудерживающую способность растительных тканей. Напротив, при недостатке меди гидрофильность коллоидов тканей уменьшается.

Очевидно, вследствие этого медь в виде удобрений имеет значение для придания растениям засухо- и морозоустойчивости, а также, возможно, устойчивости к бактерийным заболеваниям.

Болезни недостаточности меди у растений:

- экзантема, или суховершинность плодовых деревьев. Поражает цитрусовые (рис. 2), а также яблони, груши, сливы и маслины. У цитрусовых листья достигают больших размеров, молодые побеги изгибаются, на них развиваются вздутия, затем трещины. Пораженные побеги теряют листья и высыхают. Крона деревьев приобретает кустовидную форму. Плоды мелкие с бурыми пятнами и бородавками. Листья имеют сначала ярко-зеленый цвет, а в дальнейшем появляется пятнистость и хлороз.

У яблонь заболевание проявляется в отмирании верхушек побегов — наступает увядание и свертывание листьев. Края листьев становятся как бы обожженными. У персиков наступает гибель побегов, ухудшается цветение и завязывание плодов; на листьях появляются крупные хлоротичные пятна.

- «болезнь обработки» травянистых растений проявляется в подсыхании кончиков листьев, задержке в формировании репродуктивных органов, пустозернистости колоса. При этом заболевании растения кустятся и, не переходя к стеблеванию, погибают.

Поражаются «болезнью обработки» главным образом овес, ячмень, пшеница, свекла, бобовые, лук; меньше— рожь, гречиха, клевер. «Болезнь обработки» встречается преимущественно на болотистых почвах и торфяниках; это заболевание называется также «болезнью освоения», так как она поражает овес, ячмень, яровую и озимую пшеницы и другие злаки, а также лен, коноплю, махорку и другие культуры на мелиорированных почвах.

На некоторых торфяных почвах злаки в фазе молочной спелости полегают, образуя колена. В тканях выпуклой части колена окислительные процессы (активность пероксидазы, полифенолоксидазы, цитохромоксидазы) протекают на более высоком уровне и в них содержится в 3 раза больше меди, чем в противоположно расположенных тканях.

 «Болезнь обработки» не возникает, если в почву вносят сернокислую медь в количестве 25 кг на 1 га, что ведет к нарастанию содержания меди в растениях (пшенице, ржи, овсе и других злаках).

Применение медных удобрений не только сказывается на повышении урожайности, но и на качестве сельскохозяйственных продуктов. Так, количество белка в зерне нарастает, сахаристость сахарной свеклы увеличивается, так же как процент выхода каучука у кок-сагыза, содержание витамина С и каротина в плодах и овощах, улучшаются технологические качества волокна конопли. Под влиянием медных удобрений повышается устойчивость озимой пшеницы к полеганию.

Цинк

Среднее содержание цинка в почвах составляет 0,005%; из этого количества на долю растворимого цинка приходится не более 1 %.

Солончаковые и солонцеватые почвы содержат больше всего подвижного цинка (0,0087—0,014%), что связано с высокой дисперсностью солонцеватых почв и наличием в них соединений цинка типа цинкатов натрия и калия. Промежуточное положение по количеству подвижных форм цинка занимают черноземы и серые лесные почвы; меньше всего таких форм в подзолистых почвах (0,00185—0,00241%). На кислых почвах цинк более подвижен и выносится из почв в больших количествах; поэтому на кислых почвах чаще наступает дефицит цинка, на щелочных почвах цинк наименее подвижен.

В среднем в растениях обнаруживается 0,0003% цинка. В зависимости от вида, местности произрастания, климата и т. п. содержание цинка в растениях весьма варьирует.

Цинк является компонентом ряда ферментных систем. Он необходим для образования дыхательных ферментов—цитохромов А и Б, цитохромоксидазы (активность которой резко падает при недостаточности цинка), входит в состав ферментов алкогольдегидразы и глицилглициндипептидазы. Цинк связан с превращением содержащих сульфгидрильную группу соединений, функция которых состоит в регулировании уровня окислительно-восстановительного потенциала в клетках. При недостатке цинка в вакуолях клеток накопляются полифенолы, фитостерин, лецитин как продукты неполного окисления углеводов и белков; в листьях обнаруживается больше редуцирующих сахаров и фосфора и меньше сахарозы и крахмала. При отсутствии цинка нарушается процесс фосфорилирования глюкозы. Недостаток цинка ведет к значительному уменьшению в растениях ростового гормона — ауксина.

Цинк является составным компонентом фермента карбоангидразы. Входя в состав карбоангидразы, цинк влияет на важнейшую фотохимическую реакцию «темновой» утилизации углекислого газа растениями и на процесс выделения СО2, т. е. на процесс дыхания растений. Растения, развивающиеся в условиях недостаточности цинка, бедны хлорофиллом; напротив, листья, богатые хлорофиллом, содержат максимальные количества цинка. В зеленых листьях цинк, возможно, связан с порфиринами.

Под влиянием цинка происходит увеличение содержания витамина С, каротина, углеводов и белков в ряде видов растений, цинк усиливает рост корневой системы и положительно сказывается на морозоустойчивости, а также жаро-, засухо- и солеустойчивости растений. Соединения цинка имеют большое значение для процессов плодоношения.

Горох, сорго и бобы в водных культурах не дают семян при концентрации цинка в среде 0,005 мг на 1 л и ниже. С повышением концентрации цинка в питательной смеси соответственно число семян увеличивается.

В местностях вблизи цинковых залежей произрастает так называемая галмейская флора — растения, обогащенные цинком.

Болезни недостаточности цинка распространены преимущественно среди плодовых деревьев; могут заболевать также хвойные растения и кукуруза. Главнейшие из этих болезней недостаточности следующие:

- мелколистность, или розеточная болезнь, листопадных деревьев. Поражает яблони, груши, сливу, персики, абрикос, миндаль, виноград , вишню. На заболевшем растении весной образуются укороченные побеги с розеткой мелких скрученных листьев. На листве —явления хлороза. Плоды мелкие и деформированные, часто вообще не появляются. Через 1—2 года побеги отмирают.

Заболевание излечивается непосредственно введением в стволы больных деревьев сернокислого цинка в кристаллическом виде, внесением в почву соединений пинка, опрыскиванием растений раствором цинковых солги.

При обильном развитии микроорганизмов па некоторых почвах они могут в значительной мере поглощать цинк и создавать условия цинкового голодания для высших растений. Стерилизация почв, убивая микробы и, возможно, разрушая соединения, в виде которых цинк оказывается в связанном состоянии, ставят высшие растения в условия более полной обеспеченности цинком.

- пятнистость листьев цитрусовых, «крапчатость». Между жилками листьев появляются желтые участки, поэтому листья приобретают пятнистый вид. Зеленая окраска сохраняется лишь у основания листьев, остальная часть становится белой. Листья и корневая система перестают расти, и растения погибают.

- бронзовость листьев тунговых. Листья приобретают бронзовую окраску, отдельные участки отмирают. Появляющиеся взамен погибающих новые листья деформированы. Больные деревья мало устойчивы против морозов.

- розеточная болезнь сосны. Хвоя на концах побегов приобретает бронзовую окраску.

- побеление верхушки кукурузы. Между жилками листа появляются светло-желтые полосы, развиваются некротические пятна и отверстия. Новонарастающие листья имеют бледно-желтый цвет.

Цинковые удобрения с успехом используются для повышения урожайности ряда культур: сахарной свеклы, озимой пшеницы, овса, льна, клевера, подсолнечника, кукурузы, хлопчатника, цитрусовых, других плодовых, древесных и декоративных растений.

Некоторые растения особенно отзывчивы на цинковые удобрения. При использовании минеральных удобрений, содержащих 20 кг сернокислого цинка на 1 га, наблюдается больший урожай зерна кукурузы, чем от применения любой удобрительной смеси без цинка. При этом кукуруза, больная «побелением верхушки», полностью выздоравливает — исчезает хлороз, появляются нормальные зеленые листья.

Заключение

Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). Химические элементы, которые, входя в состав организмов растений, животных и человека, принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической ролью. Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы и организме объясняется тем, что они вступают в теснейшую связь с биологически активными органическими веществами — гормонами, витаминами. Изучена также их связь со многими белками и ферментами.

Микроэлементам, несмотря на их малое количественное содержание в организмах, принадлежит значительная биологическая роль. Помимо общего благоприятного влияния на процессы роста и развития, установлено специфическое воздействие ряда микроэлементов на важнейшие физиологические процессы — например, фотосинтез у растений.

Многие металлы, преимущественно микроэлементы, в растворах обладают ярко выраженным каталитическим действием. Это каталитическое действие микроэлементы проявляют и в живом организме, особенно тогда, когда они вступают во взаимодействие с органическими веществами, содержащими азот.

Максимальную каталитическую активность металлы как таковые или, чаще, их металлоорганические (органо-минеральные) соединения приобретают, вступая в соединения с белками. Именно такое строение имеют многие биологические катализаторы — ферменты. Помимо значительного повышения активности, роль белкового компонента заключается в придании таким соединениям, в основном ферментам, специфичности действия.

При взаимодействии микроэлементов с белковыми компонентами ферментов образуются металлоэнзимы.

Список литературы

Добролюбский О.К. Микроэлементы и жизнь, М., 1956.

Дробков А.А. Микроэлементы и естественные радиоактивные элементы в жизни растений и животных. М., 1958.  

Пейве Я В Микроэлементы в сельском хозяйстве нечерноземной полосы СССР. М., 1954.

Пейве Я В Микроэлементы и ферменты, М., 1960.

Стайлс В. Микроэлементы в жизни растений и животных. М., 1949

Школьник М.Я. и Макарова Н.А. Микроэлементы в сельском хозяйстве. М., 1957.

Школьник М.Я. Значение микроэлементов в жизни растении и в земледелии. АН СССР, 1950.

Дата добавления: 03.02.2005

www.km.ru

тяжелые металлы - Стр 2

с использованием свинецсодержащего бензина (Минеев и др., 1981; Снакин, 1998). Вдоль дорог с активным движением автотранспорта свинцом загрязняется полоса земли шириной 50–100,реже 300 м (Савицкене и др., 1993). Основное же его количество оседает на почву в пределах10–15м и концентрируется в слое глубиной до 10 см. Исследованиями также установлено, что содержание свинца в почвах вблизи автомагистралей в десятки, а иногда и

всотни раз превышает фоновые значения (Лепнева, Обухов, 1987; Сает, 1987; Amrhein et al., 1994). Помимо свинца с выхлопными газами автотранспорта выбрасываются кадмий, кобальт, хром, медь, цинк, железо, молибден, стронций (Парибок, 1983).

При длительном техногенном поступлении тяжелых металлов

вокружающую среду содержание их в почве может быть очень высоким. Причем в почвах, загрязняемых металлургическими предприятиями, накапливаются не только профилирующий, но и другие металлы, сопутствующие ему в рудах. Например, в почве около одного из цинкоплавильных заводов в Польше на глубине 1–5см содержалось цинка 13800, свинца –249–2480,кадмия – 15– 270 мг/кг (Greszta et al., 1985).

Среди антропогенных источников поступления тяжелых металлов в почву определенную роль играют и агротехнические мероприятия: внесение удобрений, пестицидов и орошение (Алексеев, 1987; Nicholson et al., 1994; Grant et al., 1998; Никифорова, 2003). В

частности, при использовании минеральных удобрений в почву вносится свинца от 7 до 225 мг/кг сухой массы почвы, при применении органических удобрений – от 6 до 15 мг/кг (Кабата-Пенди-ас, Пендиас, 1989). Содержание кадмия в минеральных удобрениях колеблется от 0.3 до 179 мг/кг сухой массы (Williams, David, 1977). Даже при относительно небольшом содержании кадмия в фосфорных удобрениях его ежегодное поступление в почву составляет 10 г/га (Sauerheck, Rictz, 1981). Сточные воды, используемые в сельском хозяйстве, также являются источником загрязнения почв тяжелыми металлами. Кадмий, цинк и некоторые другие элементы чаще всего становятся основными токсикантами, ограничивающими применение осадков сточных вод в качестве удобрения. Например, содержание кадмия в осадках сточных вод достигает 90, а цинка – 6000 мг/кг сухой массы (Касатиков и др., 1990),

11

что в 1.5–3.0раза превышает принятые нормы ПДК. Длительное использование стоков при орошении повышает также уровень со-

держания в почвах Zn, Cu, Ni, Cr, Pb, Cd и Hg.

Таким образом, естественное (фоновое) содержание тяжелых металлов в окружающей среде, как правило, незначительное. Основной причиной увеличения их концентрации является хозяйственная деятельность человека. В регионах с развитым промышленным и сельскохозяйственным производством резко возрастает вероятность загрязнения воздуха, воды и почвы избыточными количествами тяжелых металлов, что в свою очередь создает опасность повышенного поступления их в живые организмы, включая растения.

1.2. Пути поступления тяжелых металлов в растения

Важное место при исследовании влияния тяжелых металлов на растения занимает изучение процессов их поглощения и передвижения. Растения способны поглощать из окружающей среды в больших или меньших количествах практически все химические элементы. Однако с позиции минерального питания тяжелые металлы можно разделить на две группы: 1) необходимые в незначительных концентрациях для метаболизма растений (Fe, Cu, Zn, Mn, Mo), которые становятся токсичными, если их содержание превышает определенный уровень; 2) металлы, не участвующие в метаболизме растений (Pb, Cd, Hg), которые токсичны даже в очень низких концентрациях (Siedlecka, 1995).

Поступление тяжелых металлов через корни. Наземные рас-

тения могут поглощать тяжелые металлы из двух источников – почвы и воздуха (Парибок и др., 1981; Виноградов, 1985). Механизмы поступления металлов в растения корневым путем включают как пассивный (неметаболический) перенос ионов в клетку в соответствии с градиентом их концентрации, так и активный (метаболический) процесс поглощения клеткой против градиента кон-

центрации (Godbold, 1991; Costa, Morel, 1993, 1994). Первые этапы поглощения тяжелых металлов корневой системой неселективны, неспецифичны. Они осуществляются посредством физико-химиче-ской адсорбции, а также за счет необратимого неметаболического связывания ионов металлов активными участками клеточной стен-

12

ки и апопласта (Lasat et al., 1996; Hart et al., 1998). C участием об-

менной адсорбции в корни поступают Cd, Zn, Cu, Hg и другие металлы (Petit, Van de Geijn, 1978). Последующие этапы поглощения металлов связаны с затратой энергии и сопровождаются избирательным поглощением их из раствора с участием ионных каналов и переносчиков (Hart et al., 1998; Hall, Williams, 2003).

Например, предполагают, что процесс поглощения кадмия и свинца растениями может осуществляться с помощью тех же пе-

реносчиков, что и других двухвалентных катионов, таких как Zn2+, Cu2+, Fe2+ или через катионные каналы Са2+ и Мg2+ (Azari et

al., 1999; Clemens, 2001).

Соотношение пассивного и активного механизмов поступления тяжелых металлов в растения во многом зависит от их концентрации в почве. Отмечено, что при содержании металлов в микроколичествах (в пределах фонового уровня) основной вклад вносит активное метаболическое поглощение (Cataldo et al., 1983; Godbold, 1991). При наличии же во внешней среде высоких концентраций металлов поглощение носит преимущественно неметаболический характер и является результатом их диффузии в свободное пространство корня (Culter, Rains, 1974).

Установлено, что чрезвычайно легко поглощаются растениями ионы Cd, Br, Cs, тогда как Ba, Ti, Zr, Sc, Se – слабо (Кабата-Пенди-ас, Пендиас, 1989). Pb медленнее других тяжелых металлов поступает в растения и транспортируется в надземные органы (Foroughi et al., 1982; Серегин, Иванов, 1998).

Способность растений поглощать металлы из почвы характеризуется коэффициентом биологического поглощения (КБП), представляющим собой отношение содержания металла в растении к его содержанию в почве. По данным С.Ф. Покровской (1995), КБП свинца для многих растений (овес, кукуруза, горох и т.д.) составляет 0,001–0,005,а кадмия для этих же культур –0,01–0,5.Отсюда следует, что одни и те же виды растений поглощают значительно больше кадмия, чем свинца.

Большое влияние на поступление металлов в растения оказывают физико-химическиесвойства почвы, на которой они растут: тип почвы, ее химический и механический составы, рН, содержание органического вещества, обменная катионная способность,

13

микрофлора и др. (Ильин, 1991; Sanità di Toppi, Gabbrielli, 1999; Rauser, 1999). Почвенные факторы могут избирательно увеличивать или уменьшать поступление тяжелых металлов в растения. Для многих металлов увеличение их поглощения растениями может быть обусловлено понижением рН почвы, добавлением хелатирующих веществ, использованием удобрений и др. (Cunningham,

Ow, 1996). Например, по данным Гуннарссона (Gunnarsson, 1983),

при снижении рН почвы с 7 до 5.5 содержание кадмия в тканях райграса возрастало в 4 раза. Внесение хелатора этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) в почву или питательный раствор увеличивало доступность кадмия и свинца для растений (Huang et al., 1997; Vassil et al., 1998). В большинстве случаев поглощение ионов тяжелых металлов растениями находится в прямой зависимости от их доступного содержания в почве или почвенном растворе, например, в виде свободных ионов (Wagner, 1993).

Существенное влияние на поступление тяжелых металлов в растения оказывают другие ионы (Кабата-Пендиас,Пендиас, 1989). При этом наибольший антагонизм проявляютэлементы-ана-логи и гомологи(Кабата-Пендиас,Пендиас, 1989), а также катионы одинаковой валентности, способные образовывать сходные комплексы (Cataldo et al., 1983; Wierzbicka, 1987; Hart et al., 1998).

В частности, свинец подавляет поглощение и передвижение в побеги Fe, Mn, Zn, нарушая процессы связывания ионов их носителями (Kannan, Keppler, 1976). Поглощение кадмия корнями растений снижается при добавлении в раствор Ca, Zn, Mn, Cu и Fe (Cataldo et al., 1983; Costa, Morel, 1993; Jalil et al., 1994; Gussarsson et al., 1995). Выявлен ингибирующий эффект кадмия на поглощение и аккумуляцию Zn, Cu, Mn и Ca (Wong et al., 1984; Yang et al., 1996; Metwally et al., 2005). Вместе с тем установлен синергизм при поступлении и транспорте ионов цинка и кадмия(Кабата-Пендиас,Пендиас, 1989; Yang et al., 2004). Так, показано, что при наличии в растворе цинка в концентрации 500 мкм/л и кадмия50–100мкм/л значительно увеличивается содержание кадмия в побегах и корнях растенийSedum alfredii (Yang et al., 2004).

Поступление тяжелых металлов в растения корневым путем может регулироваться механизмами, которые уменьшают их концентрацию на наружной поверхности мембраны клеток корня, в ре-

14

зультате чего меньшее количество металлов попадает в клетку. Например, связывание Cd2+ слизью, выделяемой кончиками корней кукурузы, снижало его концентрацию в плазмалемме (Morel et al., 1986).

Транспорт тяжелых металлов в растении. Основной путь ио-

нов тяжелых металлов в корнях можно представить следующим образом: двухэтапное поглощение, транспорт по апопласту и симпласту до эндодермы и в базальные участки корня (Wierzbicka, 1987; Нестерова, 1989; Серегин, Иванов, 1997б, 2001). Проникновение их в центральный цилиндр происходит через молодую эндодерму со слаборазвитыми поясками Каспари, а также частично через избирательно проницаемые мембраны протопласта в эндодерме. Из корней металлы транспортируются в выше расположенные органы по сосудам ксилемы с транспирационным током (Salt et al., 1995; Hart et al., 1998). Некоторые авторы предполагают общий механизм транспорта по ксилеме для ионов Cd, Ca, Cu, Zn, Mn, Fe (Cataldo et al., 1983) и Pb, Zn, Co, Mg (Wierzbicka, 1987). Показано,

что Mn, Сo, Zn и Cd перемещаются по ксилеме в катионной, а Fe – в анионной форме (Salt et al., 1995). Считается, что тяжелые металлы могут транспортироваться в растении как в виде катионов

(Leita et al., 1996, Salt et al., 1999), так и в виде комплексов с ами-

нокислотами (аспарагином, глутамином, гистидином) (Petit, Van de Geijn, 1978) или органическими кислотами (лимонной, фумаровой,

малоновой) (Senden et al., 1992; Rauser, 1999; Sarret et al., 2002).

Исследованиями установлено, что дальний транспорт тяжелых металлов у растений может происходить и по сосудам флоэмы в системе органов донор – акцептор (Herren, Feller, 1996, 1997; Hart et al., 1998; Cakmak et al., 2000). С использованием радиографиче-

ских методов у растений пшеницы зафиксирован флоэмный транспорт изотопов 109Cd и65Zn из листьев в цветки и плоды (Yang et al., 1995; Herren, Feller, 1996; Popelka et al., 1996, Harris, Taylor, 2001),

а также от листа к листу или к корню (Cakmak et al., 2000; Harris, Taylor, 2001; Page, Feller, 2005). Кадмий и цинк являются химиче-

ски сходными элементами (Das et al., 1997), поэтому они могут транспортироваться в растении одинаковыми путями (Grant et al., 1998), однако подвижность цинка в сосудах флоэмы выше, чем кадмия (Page, Feller, 2005). Во флоэмном соке растений выявлены

15

различные типы лигандов (металлосвязывающие белки, никотинамины, цитраты), которые, очевидно, участвуют в транспорте ионов тяжелых металлов (Welch, 1995).

Скорости поглощения и транспорта металлов могут различаться у растений разных видов, и это является одной из причин, определяющих особенности их накопления и распределения (Coughtrey, Martin, 1978; Yang et al., 1995). Например, у растений райграса вы-

явлена невысокая скорость передвижения ионов кадмия из корней в побеги, тогда как у клевера скорости и поглощения, и транспорта этого металла были высокими (Yang et al., 1995).

Необходимо отметить, что корневая система является мощным барьером на пути транспорта тяжелых металлов в надземные органы растений. При этом барьер апопластического транспорта включает в себя слой клеток протодермы с прилегающими клетками меристемы и эндодерму, а барьер симпластического транспорта составляют клетки центральной части апикальной ме-

ристемы (Wierzbicka, 1987; Enstone, Peterson, 1992; Серегин, Ива-

нов, 1997б). Помимо корневого у растений существуют еще, как минимум, два физиологических барьера, где возможно связывание тяжелых металлов: на границе корень – стебель и стебель – соцветие (Ковда и др., 1979; Скрипниченко, Золотарева, 1981;

Ильин, 1991).

Поступление тяжелых металлов в растения через листья. Зна-

чительное воздействие на растения может оказывать и поступление тяжелых металлов через листья. Так, например, в экспериментах с ячменем, морковью, капустой, пшеницей и рожью установлено, что 20–60%от общего содержания кадмия в растении поступало через лист из загрязненных металлом атмосферных осадков (Hovmand et al., 1983). Поглощение кадмия и цинка листьями (особенно вблизи промышленных предприятий) может даже превышать их корневое поступление в растения (Нестерова, 1989; Плеханова, Обухов, 1992). Механизм поглощения ионов тяжелых металлов листьями состоит из двух фаз: 1) неметаболического проникновения через кутикулу (которое рассматривается как главный путь поступления) и 2) метаболического переноса ионов через плазматические мембраны и протопласт клеток, т.е. их накопление против градиента концентрации (Kannan, 1980). Ионы металлов поступают в лист в основном через

16

устьица или кутикулу и транспортируются в корни и/или выше рас-

положенные органы (Парибок, 1983; Welch et al., 1999; Cakmak et al., 2000; Harris, Taylor, 2001).

Доля внекорневого поступления тяжелых металлов в растения зависит от концентрации металла в воздухе и осадках, анатомоморфологических особенностей листьев растений и других факторов. Например, свинец в отличие от некоторых других металлов при незначительных концентрациях плохо проникает в лист и почти не передвигается в нем (Littlle, 1973). Видимо, барьером для него выступают эпидермис и особенно кутикула. Напротив, в условиях сильного загрязнения через листья в растения может попадать до 50% свинца, содержащегося в воздухе (Лепнева, Обухов, 1987).

Способность листьев поглощать тяжелые металлы зависит также от их анатомических особенностей. В частности, чем сильнее опушенность или шероховатость листьев, тем интенсивнее поступают в них металлы из воздуха (Godzik, 1993). Существующие различия между растениями по поглощению тяжелых металлов листьями в значительной степени определяются видовыми особенностями строения и биохимического состава кутикулы и эпидермы

(Picchioni et al., 1995; Cakmak et al., 2000).

Соединения металлов в составе аэрозолей и пыли, попадающие из воздуха на лист, удерживаются на нем в виде поверхностных отложений, а часть их может быть вымыта дождевой водой (Козаренко, Козаренко, 1996). Для разных элементов характерна неодинаковая эффективность вымывания. Например, свинец по сравнению с кадмием легко удаляется атмосферными осадками с поверхности листа (Кабата-Пендиас,Пендиас, 1989).

Точно определить конкретный вклад корневого и листового поглощения в повышение содержания тяжелых металлов в растительных тканях довольно трудно, так как прямой зависимости между их концентрацией в окружающей среде и в растениях, как правило, не существует.

В целом поступление тяжелых металлов в растения представляет собой сложный и комплексный процесс, зависящий от многих факторов: почвенных, экологических, биологических. Возможность поглощения металлов двумя путями (через корни и листья) повышает их содержание в растениях, усиливая тем самым опас-

17

ность загрязнения как для самого растения, так и для других живых организмов, включая человека.

1.3.Накопление и распределение тяжелых металлов

ворганах, тканях и клетках растений

При изучении влияния тяжелых металлов на растения большой интерес представляют сведения об их накоплении и содержании в растениях, а также распределении в органах, тканях и клетках.

Накопление тяжелых металлов растениями. По способности накапливать тяжелые металлы растения можно разделить на три группы: 1) аккумуляторы, накапливающие металлы главным образом в надземных органах как при низком, так и высоком содержании их в почве; 2) индикаторы, в которых концентрация металла отражает его содержание в окружающей среде и 3) исключители, у которых поступление металлов в побеги ограничено, несмотря на их высокую концентрацию в окружающей среде и накопление в корнях (Baker, 1981; Antosiewicz, 1992).

Растения, относящиеся к разным семействам, заметно различаются по способности накапливать тяжелые металлы (табл. 3). В зависимости от вида растений содержание в них тяжелых металлов может изменяться во много раз (до 100 и более) (Покровская, 1995). Причем для культурных растений, как правило, характерно более низкое накопление металлов, чем для дикорастущих видов тех же семейств (Козаренко, 1987). Более того, разные виды растений, а также сорта (линии) одного вида различаются по способности накапливать тяжелые металлы даже при одной и той же их концентрации в почве

(Kuboi et al., 1986; Yang et al., 1995; Grant еt al., 1998). Например, в ус-

ловиях аэротехногенного загрязнения у лиственных пород деревьев (береза, рябина) содержание цинка, кадмия и свинца во всех органах растений значительно выше, чем у хвойных (сосна) (Федорова, Одинцова, 2005). При выращивании овощных культур на загрязненных кадмием почвах концентрация металла в листьях салата, шпината, сельдерея и капусты оказалась выше, чем в листьях томата, кукурузы, бобов и гороха (Davis, White, 1981). Выявлены существенные различия в содержании кадмия во всех органах (в том числе в клубнях) двух сортов картофеля (Dunbar еt al., 2003) и в зерне изогенных линий твердой пшеницы (Harris, Taylor, 2001).

18

Таблица 3

Способность высших растений различных семейств к накоплению тяжелых металлов

* По: Kuboi et al., 1986. ** По: Козаренко, 1987. *** По: Петрунина, 1974.

На накопление тяжелых металлов оказывает влияние и возраст растений (Мельничук, 1990). В экспериментах И.И. Скрипниченко и Б.Н. Золотаревой (1981) установлено, что содержание свинца в надземных органах 30-дневныхрастений овса по сравнению с 7- дневными существенно уменьшалось (в1.5–14раз в зависимости от концентрации металла в корнеобитаемой среде). В отличие от этого у растений бобов отмечено увеличение содержания цинка и кадмия в корнях и побегах от фазы4-хлистьев к фазе созревания семян. У пшеницы же с возрастом растений содержание цинка в надземной биомассе повышалось, а кадмия – снижалось (Гармаш, 1989).

Накопление тяжелых металлов в растениях может также зависеть от сезона и погодных условий года. Например, у растений бука концентрация кадмия в ксилемном соке резко повышалась в апреле и ранней осенью, а в летние месяцы сохранялась на сравнительно низком уровне (Glavac et al., 1990). Аналогичные результаты получены и в отношении травянистых растений: наименьшее содержание

19

кадмия и свинца в фитомассе пастбищных растений отмечено в летние месяцы, а ранней весной и поздней осенью оно повышалось (Vetter, 1982 – цит. по: Ильин, 1991). Полагают, что это обусловлено несовпадением темпов прироста биомассы растений (которые летом достигают максимума) с более или менее равномерным поступлением тяжелых металлов из почвы (Ильин, 1991).

Наконец, накопление тяжелых металлов в растениях зависит и от условий эксперимента: содержание кадмия и цинка в растенияхаккумуляторах было значительно выше при выращивании их на питательном растворе с добавлением этих элементов, чем на поч-

вах, загрязненных ими (Brown et al., 1995; Pollard, Baker, 1996; Shen et al., 1997).

Распределение тяжелых металлов по органам растений. В

отличие от накопления характер распределения тяжелых металлов по органам и тканям в большинстве случаев не зависит от эдафических и сезонных факторов и определяется главным образом свойствами металлов и видовыми особенностями растений

(Сhoudhary et al., 1994; Yang et al., 1995). Кроме того, по мнению некоторых авторов (Florjin, Van Beusichem, 1993b), распределение тяжелых металлов в растении в большей степени определяется генотипом, чем их накопление.

Некоторые исследователи (Hara et al., 1976; Jastrow, Koeppe, 1980 – цит. по: Siedlecka, 1995) группируют тяжелые металлы по накоплению в органах растений следующим образом: 1) Cd, Fe, Cu, Co, Mo и 2) Pb, Sn, Ti, Ag, Cr, Zr, V – уровень аккумуляции в корнях высокий, а в побегах – средний и низкий соответственно; 3) Zn, Mn, Ni – уровень накопления в корнях и в побегах средний

(рис. 2).

Виды растений, а также сорта могут заметно различаться по распределению тяжелых металлов по органам, что связано с особенностями поглощения ионов металлов корнями и их перемеще-

ния из корней в побеги (Florjin, Van Beusichem, 1993a; Guo et al., 1995; Hart et al., 1998). Типичное распределение металлов в растениях на примере кадмия показано на рис. 3. В целом по содержанию тяжелых металлов в органах растений образуется следующий ряд (по убыванию): корень > стебель > листья > плоды или семена (Ильин, Степанова, 1981; Wagner, 1993; Grant et al., 1998).

20

studfiles.net

1.4. Тяжелые металлы в растениях

Растительная пища является основным источником поступления ТМ в организм человека и животных. По разным данным (Панин, 2000; Ильин, Сысо, 2001), с ней поступает от 40 до 80 % ТМ, и только 20-40 % - с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления металлов в растениях, используемых в пищу, в значительной степени зависит здоровье населения.

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление ТМ растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами ТМ, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью почв. Однако, способность почв связывать и инактивировать ТМ имеет свои пределы, и когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов, важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению.

Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество ТМ, следующий – стебли и листья, и, наконец, последний – органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции (чаще всего семена и плоды, а также корне- и клубнеплоды и др.). (Гармаш Г.А. 1982; Ильин, Степанова, 1982; Гармаш Н.Ю., 1986; Алексеев, 1987; Тяжелые…, 1987; Горюнова, 1995; Орлов и др, 1991 и др.; Ильин, Сысо, 2001). Уровень накопления ТМ разными растениями в зависимости от их генетических и видовых особенностей при одинаковом содержании ТМ в почвах наглядно иллюстрируется данными, представленными в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Содержание свинца и цинка в огородных культурах, выращенных на

техногенно загрязненной почве, мг/кг сырой массы (приусадебный участок,

г. Белово Кемеровской обл.) (Ильин, Сысо, 2001)

Примечание: валовое содержание в почве Zn равно 7130, Рb - 434 мг/кг

Однако не всегда эти закономерности повторяются, что, вероятно, связано с условиями произрастания растений и их гене­тической спецификой. Отмечаются случаи, когда разные сорта одной культуры, произрастающие на одинаково загрязненной почве содержали различное количество ТМ. Данный факт, по-видимому, обусловлен присущим всем живым организмам внутривидовым полиморфизмом, способным проявить себя и при техногенном загрязнении природной среды. Это свойство у растений может стать основой генетико-селекционных исследований с целью создания сортов с повышен­ными защитными возможностями по отношению к избыточным концентрациям ТМ (Ильин, Сысо, 2001).

Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению ТМ, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп: 1) Cd,Cs,Rb– элементы интенсивного поглощения; 2)Zn,Mo,Cu,Pb,As,Co– средней степени поглощения; 3)Mn,Ni,Cr– слабого поглощения и 4)Se,Fe,Ba,Te– элементы, труднодоступные растениям (Тяжелые …, 1987; Кадмий …, 1994; Пронина, 2000).

Другой путь поступления ТМ в растения – некорневое поглощение из воздушных потоков. Оно имеет место при значительном выпадении металлов из атмосферы на листовой аппарат, чаще всего вблизи крупных промышленных предприятий. Поступление элементов в растения через листья (или фолиарное поглощение) происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения через кутикулу. ТМ, поглощенные листьями, могут переносится в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ. Не представляют опасности для человека металлы, осаждающиеся с пылевыми выбросами на листьях и стеблях, если перед употреблением в пищу растения тщательно промываются. Однако животные, поедающие такую растительность, могут получить большое количество ТМ.

По мере роста растений элементы перераспределяются по их органам. При этом для меди и цинка устанавливается следующая закономерность в их содержанию: корни > зерно > солома. Для свинца, кадмия и стронция она имеет другой вид: корни > солома > зерно (Тяжелые…, 1997). Известно, что наряду с видовой специфичностью растений в отношении накопления ТМ существуют и определенные общие закономерности. Например, наиболее высокое содержание ТМ обнаружено в листовых овощах и силосных культурах, а наименьшее – в бобовых, злаковых и технических культурах.

Таким образом, рассмотренный материал свидетельствует об огромном вкладе в загрязнение почв и растений ТМ со стороны крупных городов. Поэтому проблема ТМ стала одной из «острых» проблем современного естествознания. Ранее проведенное геохимическое обследование почв г. Улан-Удэ (Белоголовов, 1989) позволяет оценить общий уровень загрязненности 0-5 см слоя почвенного покрова широким спектром химических элементов. Однако остаются практически неизученными почвы садово-дачных кооперативов, приусадебных участков и других земель, где населением выращиваются продовольственные растения, т.е. тех территорий, загрязнение которых может непосредственно затрагивать здоровье населения г. Улан-Удэ. Совершенно нет данных по содержанию подвижных форм ТМ. Поэтому в своих исследованиях мы попытались более детально остановиться на изучении современного состояния загрязненности садово-огородных почв г. Улан-Удэ ТМ, их наиболее опасными для биоты подвижными формами и особенностях распределения и поведения металлов в почвенном покрове и профиле основных типов почв г. Улан-Удэ.

17

studfiles.net

5.2.3 Накопление тяжелых металлов в растениях

и сельскохозяйственной продукции

Накопление растениями тяжелых металлов осуществляется корнями из почвы и непосредственно из атмосферы. Например, загрязнение растений атмосферным кадмием составляет 20 – 60% от всего его содержания в растениях. Свинец в основном поступает через корни, тем не менее, и он способен поглощаться через листья. Накопление атмосферного свинца у растений вблизи автомобильных дорог может достигать до 40% от его общего количества в растениях. Основное количество свинца сосредоточено в вегетативных органах, а в репродуктивных накапливается до 7% от общего количества. Кинетика поглощения тяжелых металлов определяется двумя последовательными процессами, заключающимися в проникновении в свободное пространство и поступлении их внутрь клетки. Соотношение между количеством ионов в свободном пространстве и внутри клеток зависит как от продолжительности поглощения, так и от вида ионов. Поглощение тяжелых металлов растениями является энергетически независимым процессом, в то время как их транспорт в растительной клетке – энергетически зависимым. Поглощение корнями осуществляется через преодоление мембраны клеточной оболочки и прохождение через плазмалемму, цитоплазму и тонопласт аноплазматическим и симплазматическим методами.

В живых организмах тяжелые металлы играют двоякую роль. В малых количествах они входят в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальный ход жизнедеятельности организмов. Нарушение концентраций, в результате техногенного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, приводит к отрицательным последствиям для живых организмов. Тяжелые металлы условно делятся на фитотоксичные и токсичные для человека и животных. К фитотоксичным относятся, прежде всего, медь, никель и цинк. Одни и те же металлы оказывают неодинаковое действие на различные виды растений. По способности аккумуляции тяжелых металлов различными культурами установлены следующие ряды:

овес - Ni > Cu > Co > Cr > Zn > Mn; пшеница - Cd > Ni > Cu > Zn; рожь - Zn > Cd > Pb > Cu; картофель - Cd > Cu > Zn > Cr > Ni > Mn.

Поступление и накопление тяжелых металлов в растениях определяется способностью вида поглощать и накапливать металлы и наличием физиолого-биохимических защитных механизмов. В растениях ячменя, например, количество свинца возрастает с увеличением содержания его в почве. При его высоком уровне в почве свинец накапливается в больших количествах в вегетативных органах и на порядок меньше – в репродуктивных. В значительной мере токсичность свинца проявляется на кислых почвах и заметно снижается при их известковании, применении органических и минеральных удобрений. Наибольшее количество меди поглощают картофель, гречиха и морковь. Большая часть кадмия в зерновых культурах сосредоточена в корнях и значительно меньше – в зерне. Повышенное содержание этого элемента в растениях сопровождается покраснением и хлорозом листьев. Содержание хрома в растениях невелико и обычно составляет около 0,0005 мг/кг. Основное его количество содержится в корневой системе. Обычно многолетние растения содержат ртути значительно больше, чем однолетние культуры. Однако, например, надземные органы картофеля и подсолнечника, содержат этого металла в два – три раза больше, чем зерновые культуры. Кислотно-основные свойства и содержание гумуса является главными показателями, определяющими характер поведения тяжелых металлов в почве, их доступность растениям. Токсичные для растений концентрации тяжелых металлов, в зависимости от свойств почв, могут варьировать в значительных пределах. К сожалению, сегодня не достаточно накоплено фактического материала по тяжелым металлам, их токсичности, предельно допустимым концентрациям и так далее. Задачей наших исследований было получение достоверной информации о накоплении тяжелых металлов в почве и растениях в местах интенсивного движения автотранспорта. Выявить влияние интенсивности движения автотранспорта на количественное и качественное содержание тяжелых металлов в почве, растениях и сельскохозяйственной продукции. Получить достоверную информацию о степени загрязнения окружающей среды в городе Балашове и поселках Балашовского района.

Для сравнения и оценки качественного и количественного содержания тяжелых металлов в растениях в качестве объекта исследований было взято одно из самых распространенных растений, произрастающих на всех пробных площадках города Балашова и поселках Балашовского района – клевер луговой (TrifoliumpratenseL.). Опытные образцыT.pratenseL. отбирались на тех же пробных площадях, где и образцы почв для определения количественного и качественного состава тяжелых металлов в различных районах города Балашова, на территории Балашовского лесхоза и в поселках Барки, Пады, Рассказань и Красная Кудрявка, расположенных в Балашовском районе. А также в районе организации ООО «Балашов-зерно», являющейся одним из основных поставщиков сельскохозяйственной продукции для города и района.

Результаты исследований отражены в приложении, табл. П.18. Накопление тяжелых металлов в TrifoliumpratenseL. с 2001 г. по 2005 г. в городе Балашове и поселках Балашовского района отражено в табл. 5.23 и на рис. 5.13.

Таблица 5.23 -Содержание тяжелых металлов в Trifolium pratense L.,мг/кг сухого вещества, среднее значение в 2001г. и 2005 г.

2001 г.

Продолжение табл. 5.23

2005 г.

Как видим из табл. 5. 23 и рис. 5. 13, содержание ртути и других тяжелых металлов в T. pratense L. к 2005 г. повысилось по сравнению с 2001 г. Однако содержание, например, ртути на всех пробных площадях остается ниже значения ПДК. Вместе с тем, в растениях, произрастающих на пробных площадях автовокзала и АЗС, то есть, в местах с интенсивным движением автотранспорта и относительно значительным содержанием ртути в почве, содержание этого токсичного металла составляет, соответственно, 0,012 и 0,016 мг/кг, то есть приближается к ПДК. Превышение ПДК зарегистрировано в растениях практически на всех пробных площадях по содержанию кадмия и марганца, по кобальту - только на трех пробных площадях (автовокзал, КПТ и АЗС). Получены аналогичные результате и по содержанию, и по динамики роста количества тяжелых металлов в растениях с пробных площадей №9 -№13, то есть с растений произрастающих на пробных площадях в поселках Балашовского района и ООО «Балашов – зерно»

Превышение ПДК по цинку отмечается в районе Автовокзала, КПТ, АЗС, ЖБК и на проспекте Макаренко, по свинцу отмечено в растениях на всех пробных площадях, за исключением условно-фоновой территории – территории в районе лесхоза. Для сравнения на рис. 5.14 приведено содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих на территории автовокзала (интенсивное движение автотранспорта) и территории лесхоза (условно-фоновая зона), а также приведено значение ПДК.

В приложении, табл. П.19 –П.25 и табл.5.24 приведены вычисленные значения коэффициентов корреляции, показывающих степень тесноты связи между содержанием металла в почве пробных площадей города Балашова и его содержанием в растениях T. pratense L.

.

Таблица 5.24 – Коэффициенты корреляции между содержанием тяжелых металлов в почве и растениях T. pratense L., мг/кг сухого вещества, среднее значение (2005 г.)

Наблюдается довольно тесная (значения коэффициента корреляции составляют от 0,72 по марганцу, до 0,94 по меди), положительная связь между содержанием тяжелых металлов в почве и растениях Trifolium pratense L. Кроме того, прослеживается динамика накопления, с годами, тяжелых металлов в растениях T. pratense L. К 2006 году содержание по некоторым тяжелым металлам в растениях значительно превышает ПДК, что создает определенную экологическую проблему для населения городов и сел Балашовского района. Проблема заключается не только в том, что в результате повышения интенсивности движения автотранспорта, ухудшается состояние окружающей среды, но и в том, что жители небольших городов и поселков, рядом с автомагистралями, в палисадниках и на приусадебных участках выращивают овощи и фрукты. Овощи и фрукты накапливают в значительных количествах токсичные вещества, поступающие, в конечном итоге, в организм человека.

Следует отметить, что в городе Балашове и населенных пунктах Балашовского района, традиционно, широко культивируется вишня домашняя (CerasusvulgarisMill.). Этот вид используется не только в садах и парках, но и внедрен в озеленение и высаживается практически перед каждым домом, на каждой улице. Действительно, следует отметить, что вид чрезвычайно декоративен, особенно, во время цветения и плодоношения. Однако с загрязненных территорий вишня попадает в пищу, а листья вишни применяются в солениях. Особую группу риска представляют дети, которые питаются плодами, загрязненными токсичными веществами, в том числе и металлами, с растений, произрастающих в палисадниках, на улицах - вблизи от проезжей части.

В табл. 5.25 отражена динамика повышения содержания тяжелых металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) во времени (с 2001 по 2005 г. включительно) и в зависимости от интенсивности движения автотранспорта, а также от содержания тяжелых металлов в почве пробных площадей.

Таблица 5.25 - Содержание тяжелых металлов (среднее) в листьях вишни домашней (Cerasus vulgaris Mill.), мг/кг сухого вещества (2001 -2005 гг.)

2001 г.

Продолжение табл. 5.25

2005. г.

Как видим из табл. 5.25, содержание тяжелых металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) по ртути на всех пробных площадях к 2006 г. оказалось значительно ниже ПДК. По свинцу превышение ПДК отмечено в районе автовокзала. Однако следует отметить, что в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) на других пробных площадях, характеризующихся, как и автовокзал, относительно интенсивным движением автотранспорта, содержание свинца приближается к значению ПДК. Содержание марганца в листьях растений в. домашней (C.vulgarisMill.) на всех пробных площадях несколько превышает ПДК, а в районе автовокзала составляет 8,4 мг/ кг, что соответствует 1,87 ПДК. По цинку превышения ПДК зарегистрировано на трех пробных площадях (автовокзал, АЗС, пер. Макаренко). На остальных пробных площадях, включая условно-фоновую зону, содержание цинка близко к значению ПДК. Что касается кобальта и меди, то содержание этих металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) на всех пробных площадях значительно ниже ПДК. Тревогу вызывает кадмий, содержание которого в районе автовокзала в два раза, а в районе АЗС – в 1,7 раза превышает значение ПДК и только на станции юных натуралистов, и в районе лесхоза содержание этого металла ниже ПДК. Зависимость содержания тяжелых металлов в листьях в. домашней (C.vulgarisMill.) от их содержания в почве, а, следовательно, и от интенсивности движения автотранспорта в районе пробных площадей отражена в табл. 5.26. Аналогичные результаты получены и в поселках Балашовского района. Во всех четырех поселках, в растениях в. домашней (C.vulgarisMill.) отмечено содержание ртути, меди и кобальта ниже ПДК. В п. Барки в растениях содержание свинца ровняется 1 ПДК, содержание марганца, цинка и кадмия – выше ПДК. В остальных поселках превышение ПДК зарегистрировано только по марганцу и в п. Пады – по кадмию.

Таблица 5.26 – Коэффициент корреляции между

studfiles.net

Тяжелые металлы и их влияние на растения

Введение

Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). Изучение минерального питания растительных организмов включает в себя знакомство и с микроэлементами.

В настоящее время при помощи специальных, особо чувствительных методов удалось определить в составе организмов свыше 60 таких химических элементов. Однако можно утверждать, что названное число не является пределом и в состав организмов в самом деле входят все известные химические элементы и их изотопы, (как стабильные, так и радиоактивные).

Химические элементы, которые, входя в состав организмов растений, животных и человека, принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической ролью, получили название биогенных элементов. К числу биоэлементов относятся: азот, водород, железо, йод, калий, кальций, кислород, кобальт, кремний, магний, марганец, медь, молибден, натрий, сера, стронций, углерод, фосфор, фтор, хлор, цинк.

Указанный перечень будет, несомненно, увеличиваться по мере роста наших знаний. Например, биогенное значение кобальта и молибдена определилось недавно. Некоторые элементы биогенны только по отношению к определенным классам, родам, а иногда и видам организмов. Например, бор необходим для растений, но пока не может считаться биогенным по отношению к животным и человеку.

Значительное количество химических элементов, постоянно обнаруживаемых в организмах, оказывает определенное влияние на течение процессов обмена веществ и на ряд физиологических функций в эксперименте, однако еще не известно, какую роль эти элементы играют в организмах в природных условиях, и поэтому их биогенное значение пока сомнительно. К таким элементам относятся алюминий, барий, бериллий, бром, висмут, галлий, германий, кадмий, литий, мышьяк, никель, олово, радий, ртуть, рубидий, свинец, серебро, сурьма, титан, уран, хром, цезий.

Количественное содержание биоэлементов, входящих в состав организмов, сильно варьирует в зависимости от среды обитания, способа питания, видовой принадлежности и т. п.

Основную массу живого вещества (99,4%) составляют так называемые макроэлементы: О, С, Н, Са, N, К, Р, Мg, S, Cl, Na.

К числу микроэлементов, содержание которых в организме исчисляется тысячными и даже триллионными долями процента, относятся: железо, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк, кадмий, фтор, йод, селен, стронций, бериллий, литий и др.

Микроэлементам, несмотря на их малое количественное содержание в организмах, принадлежит значительная биологическая роль. Помимо общего благоприятного влияния на процессы роста и развития, установлено специфическое воздействие ряда микроэлементов на важнейшие физиологические процессы — например, фотосинтез у растений.

Связь между ролью элемента в живом организме и положением его в периодической системе хорошо прослежена для многих микроэлементов, однако далеко еще не все стороны этой зависимости изучены в достаточной степени.

Обратимся теперь к сущности влияния микроэлементов на живой организм. Наиболее характерна высокая биологическая активность микроэлементов, т. е. способность чрезвычайно малых доз их оказывать сильное действие.

Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы и организме объясняется тем, что они вступают в теснейшую связь с биологически активными органическими веществами — гормонами, витаминами. Изучена также их связь со многими белками и ферментами. Именно указанными взаимоотношениями и определяются основные пути вовлечения микроэлементов в биологические процессы.

В настоящее время твердо установлена связь между микроэлементами и витаминами. Показано, что марганец необходим для образования в ряде растений витамина С (аскорбиновой кислоты), предохраняющего человека и, некоторых животных от заболевания цингой. Есть данные, показывающие, что введением марганца можно вызвать образование аскорбиновой кислоты в организме тех видов животных, которые обычно неспособны к выработке этого витамина. Марганец, по-видимому, нужен и для действия витамина D (антирахитного) и B1 (антиневритного). Намечается связь между микроэлементом цинком и витамином В1 . Однако наиболее интересно открытие антианемического витамина B12 , недостаток которого в организме приводит к тяжелым формам анемии (злокачественному малокровию). Оказалось, что этот витамин — соединение микроэлемента кобальта и сложной органической группы.

Как известно, многие металлы, преимущественно микроэлементы, в растворах обладают ярко выраженным каталитическим действием, т. е. способны в значительной степени, в сотни тысяч и миллионы раз, ускорять течение химических реакций. Это каталитическое действие микроэлементы проявляют и в живом организме, особенно тогда, когда они вступают во взаимодействие с органическими веществами, содержащими азот.

Максимальную каталитическую активность металлы как таковые или, чаще, их металлоорганические (органо-минеральные) соединения приобретают, вступая в соединения с белками. Именно такое строение имеют многие биологические катализаторы — ферменты. Помимо значительного повышения активности, роль белкового компонента заключается в придании таким соединениям, в основном ферментам, специфичности действия.

При взаимодействии микроэлементов с белковыми компонентами ферментов образуются металлоэнзимы. Состав большой группы металлоэнзимов характеризуется наличием в них металла в качестве стабильного комплекса (железосодержащие ферменты — каталаза, пероксидаза, цитохромы, цитохромоксидаза и др.).

Геохимические процессы, непрерывно протекающие в земной коре, и эволюция химического состава организмов— процессы сопряженные. Жизнь, по В. И. Вернадскому, не составляет внешнего, случайного явления на земной поверхности, а теснейшим образом связана со строением земной коры.

Содержание элементов в живом веществе пропорционально составу среды обитания организма с поправкой на растворимость соединений, включающих эти элементы.

С геохимическими провинциями земли тесно связаны биогеохимические провинции—области, характеризующиеся более или менее одинаковой концентрацией одного или нескольких элементов. В пределах биогеохимических провинций с избыточным или недостаточным содержанием определенных элементов наступает своеобразная биологическая реакция флоры и фауны данной области, что проявляется в эндемических заболеваниях растений и животных—биогеохимических эндемиях.

Влияние основных тяжелых металлов на растения

Кобальт

В биосфере кобальт преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения — концентраторы кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация кобальта — в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10-3 % кобальта, в песчаниках 3·10-5 , в известняках 1·10-5 . Наиболее бедны кобальтом песчаные почвы лесных районов. В поверхностных водах его мало, в Мировом океане его лишь 5·10-8 %. Будучи слабым водным мигрантом, он легко переходит в осадки, адсорбируясь гидроокисями марганца, глинами и другими высокодисперсными минералами.

Содержание кобальта в почвах определяет количество этого элемента в составе растений данной местности, а от этого зависит поступление кобальта в организм травоядных животных.

Постоянно присутствуя в тканях растений, кобальт участвует в обменных процессах. В животном организме его содержание зависит от его уровня в кормовых растениях и почвах. Концентрация кобальта в растениях пастбищ и лугов в среднем составляет 2,2·10-5 —4,5·10-5 % на сухое вещество. Способность к накоплению этого элемента у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. В связи с высокой способностью к концентрации кобальта морские водоросли по его содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде его значительно меньше, чем в почвах. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других семейств. В микродозах кобальт является необходимым элементом для нормальной жизнедеятельности многих растений и животных. Вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными.

Кобальт применяют в сельском хозяйстве как микроудобрения – удобрения, содержащие микроэлементы (В, Cu, Mn, Zn, Со и др.), т. е. вещества, потребляемые растениями в небольших количествах.

Известкование почв снижает усвояемость растениями кобальта. Так же влияет избыток марганца и железа в почвах; наоборот, фосфор усиливает поступление кобальта в растения.

Применение кобальтовых солей (сернокислого кобальта) в качестве удобрений, как оказалось, способствует ускорению созревания ячменя, повышает урожай семян красного клевера, увеличивает содержание жира в семенах льна. Под влиянием кобальта повышается урожайность сахарной свеклы.

Внесение 300 г сернокислого кобальта на 1 га значительно повышает урожай винограда: вес ягод увеличивается на 35%, сахаристость — на 14%, кислотность снижается на 10%.

М. Я. Школьник предлагает вносить кобальт в качестве удобрений в следующих дозах: внесение в почву перед посевом — 2—6 кг на 1 га; внесение в междурядье в виде подкормки — 0,5 кг на 1 га; внекорневое питание— 0,1-процентный раствор; намачивание семян — 0,1-процентный раствор. При внесении кобальтовых удобрений с самолета применяется измельченный сернокислый кобальт в дозе 1,415 кг на 1 га.

Помимо чистых химических соединений кобальта, в качестве удобрений могут быть также использованы продукты переработки шлаков никелевого производства и колчеданных огарков.

Молибден

mirznanii.com

1.4. Тяжелые металлы в растениях

Растительная пища является основным источником поступления ТМ в организм человека и животных. По разным данным (Панин, 2000; Ильин, Сысо, 2001), с ней поступает от 40 до 80 % ТМ, и только 20-40 % - с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления металлов в растениях, используемых в пищу, в значительной степени зависит здоровье населения.

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление ТМ растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами ТМ, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью почв. Однако, способность почв связывать и инактивировать ТМ имеет свои пределы, и когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов,  важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению.

Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количество ТМ, следующий – стебли и листья, и, наконец, последний – органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции (чаще всего семена и плоды, а также корне- и клубнеплоды и др.). (Гармаш Г.А. 1982; Ильин, Степанова, 1982; Гармаш Н.Ю., 1986; Алексеев, 1987; Тяжелые…, 1987; Горюнова, 1995; Орлов и др, 1991 и др.; Ильин, Сысо, 2001). Уровень накопления ТМ разными растениями в зависимости от их генетических и видовых особенностей при одинаковом содержании ТМ в почвах наглядно иллюстрируется данными, представленными в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Содержание свинца и цинка в огородных культурах, выращенных на

техногенно загрязненной почве, мг/кг сырой массы (приусадебный участок,

г. Белово Кемеровской обл.) (Ильин, Сысо, 2001)

Примечание: валовое содержание в почве Zn равно 7130, Рb - 434 мг/кг

Однако не всегда эти закономерности повторяются, что, вероятно, связано с условиями произрастания растений и их гене­тической спецификой. Отмечаются случаи, когда разные сорта одной культуры, произрастающие на одинаково загрязненной почве содержали различное количество ТМ. Данный факт, по-видимому, обусловлен присущим всем живым организмам внутривидовым полиморфизмом, способным проявить себя и при техногенном загрязнении природной среды. Это свойство у растений может стать основой генетико-селекционных исследований с целью создания сортов с повышен­ными защитными возможностями по отношению к избыточным концентрациям ТМ (Ильин, Сысо,  2001).

Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению ТМ, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп: 1) Cd, Cs, Rb – элементы интенсивного поглощения; 2) Zn, Mo, Cu, Pb, As, Co – средней степени поглощения; 3) Mn, Ni, Cr – слабого поглощения и 4) Se, Fe, Ba, Te – элементы, труднодоступные растениям (Тяжелые …, 1987;  Кадмий …, 1994; Пронина, 2000).

Другой путь поступления ТМ в растения – некорневое поглощение из воздушных потоков. Оно имеет место при значительном выпадении металлов из атмосферы на листовой аппарат, чаще всего вблизи крупных промышленных предприятий. Поступление элементов в растения через листья (или фолиарное поглощение) происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения через кутикулу. ТМ, поглощенные листьями, могут переносится в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ. Не представляют опасности для человека  металлы, осаждающиеся с пылевыми выбросами на листьях и стеблях, если перед употреблением в пищу растения тщательно промываются. Однако животные, поедающие такую растительность, могут получить большое количество ТМ.

По мере роста растений элементы перераспределяются по их органам. При этом для меди и цинка устанавливается следующая закономерность в их содержанию: корни > зерно > солома. Для свинца, кадмия и стронция она имеет другой вид: корни > солома > зерно (Тяжелые…, 1997). Известно, что наряду с видовой специфичностью растений в отношении накопления ТМ существуют и определенные общие закономерности. Например, наиболее высокое содержание ТМ обнаружено в листовых овощах и силосных культурах, а наименьшее – в бобовых, злаковых и технических культурах.

studfiles.net

• 
  Комнатные растения в новосибирске
• 
  Многолетние растения на даче
• 
  Общее знакомство с растениями
• 
  Цветы и растения полевые
• 
  Растения леса широколиственного леса
• 
  Фирма растений для вас
• 
  Не поедаемые животными растения
• 
  Строение покровных тканей растений
• 
  Вьющееся по опорам растение
• 
  Лего растение против зомби
• 
  Все о растении гибискус