Ауыр металдар

Biddаppa C. C. (1989 ж.) зерттеулерінде [28] какос пальмасын таза құмда өсіріп, оны белгілі уақытта ауыр металдар ерітінділерімен (Cd – 1-4мг/л, Bi – Ni – 2-8мг/л, Pb, Cr, Ba, Ti – 5-20мг/л) қоректендіріп отырған. Осы тәжірибедегі өсімдік жапырағынан алынған әртүрлі фракцияларындағы P, K, Ca, Mn, Cu, Zn элементтеріне талдау жасаған. Ауыр металдарды негізінен нуклеин қышқылдарында, белоктарда және полисахаридтерде төмендеткен. Ал, Bi, Cr, Ba, Ti, Ni металдар бір ортадағы өсімдік жапырақ фракцияларында (лигнин, целлюлоза, органикалық қышқылдар, пигменттер, липидтер)            К – элементі жоғарылаған. Барлық ауыр металдар органикалық қышқылдарда, пигменттерде, липидтерде Са – элементін төмендетсе, нуклеин қышқылдарында, полисахаридтерде төмендеген. Ауыр металдар Mn – тің полярлы қосылыстарда жинақталуын тудырған. Cr, Bi, Cd және Ba  әсерінен Zn элементі белокта, полисахаридтерде жоғарылаған. Роса өсімдігінде ауыр металдар әсерінен пигментте, липидте, белокта, пектатта Cu жинақталса, полисахаридтерде, органикалық және нуклеин қышқылдарында өзгермеген күйінде қалған. Бұл алынған көрсеткіштер өсімдік өскен ортадағы ауыр металл концентрациясының жоғарылауы, өсімдік тірішлігіне қажетті басқа элементтердің тіршілігін бұзады. Ауыр металдар өсімдіктерде кейбір элементтердің жинақталуы мен кейбір элементтердің ығысуына әсер ететінін көруге болады. Өсімдік тіршілігіндегі химиялық элементтердің ретінің бұзылуы олардың өсіп – дамуына теріс әсерін беретіні белгілі.

 

 

3. Мыс

 

Мыс – ауыр металдар арасындағы қоршаған ортаны ластауда ерекше орын алады. Бұл элементтің таралуының негізгі көзі мыс – никель балқыту заводтары (50%), жанар – жағар май (22%), ағаш жағу (11%) және темір өндіру орындары (11%) болады .

Құрамында мыс  бар фунгициттерді жүзім алқаптарында кеңінен пайдаланады. Бұл осындай аймақтардың мыспен ластануының бірден – бір жолы. Россияда бұндай аймақтар 1416 мың га жерді алып жатыр [29].

Мыс – адам, жануар және өсімдіктер үшін ең қажетті микроэлемент. Ол мынандай ферментер құрамына кіреді: цитохромоксидазалар, церулоплазминдер, аскорбатоксидазалар, супероксиддисмутазалар, уратоксидазалар және т. б. [30,31].

Мыс бір жағынан  төменгі концентрациясы маңызды  биологиялық микроэлемент ал, екінші жағынан жоғарғы концентрациясы қауіпті ауыр металл. Ол биохимиялық процестерде ферменттердің негізгі құрамы ретінде тотығу – тотықсыздану реакциясын жүзеге асырушы. Оның валенттілігінің ауысып отыруына байланысты фермент орталығының электрон донорлық немесе акцепторлық қызметін атқарады. Мыс қоршаған ортаны қорғау мамандарының (ЮНЕП) 1980 жылғы шешімі бойынша басқа элементтермен қоса (сынап, кадмий, қорғасын, хром, никель, мышьяк) ең улы ауыр металл қатарына кіреді. Сонымен қоса бұл металдың антропогендік жолмен таралуы бақылауға алынды.

Мыстың жоғарғы  концентрациясы тірі ағзаларға өте қауіпті. Бұндай жағдайда улану белгілерімен кейбір ферменттердің активтілігіне, биосинтезіне кері әсерін тигізеді. Жоғары сатылы өсімдіктерде мыс ауыр металдар арасындағы кадмийден кейінгі орынды алады (Hg > Cd > Cu > Pb > Cr > Ni > Zn) [32].

Өсімдіктерге  мыстың жетіспеуінен болатын белгілі  симптомдар: өсуінің баяулауы, жапырақтың хлорозы, тургордың жоғарылауы, түсімнің азаюы.

 

4. Кадмий

 

Ауыр металдардың  ішіндегі ең улы және қоршаған ортаға кеңінен таралған - кадмий элементі болып табылады. Қоршаған ортаның кадмиймен ластануы  кейінгі кезде  Швецияда, АҚШ – та  бірнеше есе жоғарлаған [33].

Кадмийдің айтарлықтай  бөлігі топыраққа және суға жауын  – шашын арқылы түседі. Жыл сайын  Балтық теңізіне 2000 тонна кадмий түссе, оның 45% - ы ауадан келеді. Бұл элемент тірі ағзаларға қауіптілігі жағынан бірінші класқа жатқызылады. Кадмий адам мен жануарлар ағзасында жиналуға қабілетті және жүрек қан тамыр әрекетіне, басқа да аурулардың пайда болуына себепші. Адам ағзасында 10 мг кадмийдің жинақталуы улану белгілерін білдіреді [34].

Кадмийдің басқа  ауыр металдармен салыстырғанда  өсімдік тіршілігіне қажеттілігі  әлі толық дәлелденбеген. Бірақ  осы металдармен ластанған ортада оның өсімдікке түсуі жоғары. Зерртеушілердің  көрсетуі бойынша өсімдіктің құрғақ салмағына шаққанда 0,1- 1 мкг/кг кадмийдің болуы қалыпты деп есептеледі.

Кадмийдің өсімдіктердегі улы әсерінің алғашқы белгілері  болып: өсімдік өсуінің баяулауы, биомасса жинауының кемуі, хлороз түсімінің  азаюы т.б. физиологиялық процестер  жатады [35].

 

Cd-дің  өсімдіктерге сіңірілуі және таралуы Өсімдікке кадмийдің сіңірілуіне топырақ ерітіндісінің қышқылдануының әсері байқалады. Өз кезегінде топырақтың қышқылдануына қышқыл жауын – шашын мен қышқыл тыңайтқыштардың әсеріне байланысты кадмиймен ластанған топырақтың қышқылды ортасы рН 6 – 6,5 – тен төмен болмауын ұсынады. Табиғи жағдайда топырақтағы кадмийдің деңгейі негізінен 1 мг/кг – ға жуық, бірақ кадмийдің топырақтағы өсімдікке оңай сіңетін жылжымалы формасы көп емес (топырақ ерітіндісіндегі еріген формасы 0,07% шамасында). Бұл кадмийдің топырақпен өте тығыз байланысқа түсетінін көрсетеді [36]. Кадмийдің өсімдікке сіңуіне және мүшелер арасына таралуына оның биологиялық ерекшелігі негізгі фактор болып табылады.

Өсімдіктің  табиғи жағдайда кадмийді сіңіруі әртүрлі, оларды үш топқа бөледі: бірінші топқа бұл элементтің салыстырмалы төменгі мөлшерін сіңіретін бұршақ тұқымдастар жатса, екінші топқа орташа мөлшерін сіңіретіндер астық, асқабақ тұқымдастар, шатыршагүлдер, лилия тұқымдастары ал, үшінші топқа бұл элементтің жоғарғы концентрациясын сіңіретін крестгүлділер, күрделі гүлділер, ала бұталар жатады. Бұл тұқымдастардың ішінде кадмийдің төменгі немесе жоғарғы концентрациясын жақсы сіңіретіндер немесе сезімтал түрлер де кездеседі. Бірдей жағдайда өсірілген қара бидай және бидай өсімдіктерін салыстырғанда, бидайдың кадмийді өзіне көп жинауы осы фактіні дәләлдей түседі. Кадмийге төзімді қызанақ және қырық қабат болса, оған сезімтал - салат, шпинат және т.б. жапырақты, жемісті өсімдіктері болған [37].

Сәбіз,қызылша  өсімдіктері және жапырақты жемісті өсімдіктер, топырақта кадмийді көп сіңіреді және осы сіңірілген металдың жартысы өсімдік тамырында байланысқан күйінде қалса, жарты бөлігі өсімдік сабағы арқылы басқа мүшелерге тарайды. Кадмийдің өсімдіктергі сіңірілуі мен тасымалдануы дара жарнақты және қос жарнақты өсімдіктерде әртүрлі.

Кадмий өсімдіктерде жалпы мынандай ретпен таралады. Ең көп мөлшерде тамырда, жер үсті мүшелерінде  аз, жеміс пен ұрықта ең төмен. Азықтық  өсімдіктерде және астық тұқымдас өсімдіктердің  дәніндегі қалыпты жағдайдағы кадмийдің мөлшері 0,7 – 0,27 мг/кг және 0,13 – 0,22 мг/кг сәйкес.

Зерттеушілердің мәліметтері бойынша[38] кадмийдің  топырақ - өсімдік жүйесінде қасиетінің өзгеше екендігі анықталған. Төрт жыл  бойы жасанды жолмен ластанған ортада жүргізілген тәжірибе нәтижелерінің қорытындысы бойынша, бірінші жылы қорғасынның өсімдікке түсуі жоғары болған, бірақ төртінші жылы оның өсімдіктердегі мөлшері қалыпты деңгей мөлшеріне    (2-3 мг/кг құрғақ салмағына шаққанда) дейін төмендеген ал, кадмийдің мөлшері төртінші жылы да жоғары (5 – 8 мг/кг) деңгейде сақталған. Бұл алынған көрсеткіш кадмийдің топырақ - өсімдік жүйесіндегі жылжымалы белсенді күйі ұзақ уақыт сақталатынын көрсетеді.

 

5. Ауыр металдардан қоршаған ортаны залалсыздандыру жолдары.

 

Ауыр металдармен ластанған гетерогенді ортаның қайта қалпына келтіру гомогенді ортамен салыстырғанда айтарлықтай қиын да, күрделі. 

Техногеді аудандардағы ауыр металдардың улы әсерін тежеу  үшін және олардың жылжымалы формасын азайту үшін органикалық тыңайтқыштармен  қатар, избесттеу, цеолиттеу және т.б. әдістерді атап айтуға болады. [39]. Овчаренко М. М. 1996 жылғы мәліметтері бойынша [40] ластанған топырақты избесттеу ауылшаруашылық өсімдіктерінің өнімділігін арттыратынын көрсеткен.

Гайсин И. А. [41] әріптестерімен орманды сұр топырақта жүргізілген тәжірибеде картопты пайдаланған. Онда алғашқы жылы мыс – 165, мырыш – 297, қорғасын – 281 мг/кг қалыптан жоғары екендігін көрсеткен. Олардың қалыпты өткізу концентрациясы мыс пен мырышта – 3 есе, қорғасын – 9 есе жоғары екендігін атап кетеді. Тәжірибеде 6 тонна/га избест сіңіру арқылы ауыр металдардың улы әсерін төмендетуге қол жеткізген. Алғашқы жылғы қорытынды бойынша өсімдік бақылау вариантымен салыстырғанда мыс, мырыш – 2,5, қорғасын – 8 есе  жоғары болған. 

 

6. Органикалық қышқылдар және олардың өсімдіктегі ауыр металдарды залалсыздандыруы.

         

Органикалық қышқылдар  – бұл сұйық ерітіндіде диссоциация  кезінде сутек катиондарын түзе алатын органикалық заттар. Көбінесе жануарлардың және өсімдіктердің клеткаларында  болады. Органикалық қышқылдар көмірсулардың айналуының өнімі болып табылады.

Құрамындағы карбоксил  тобының санына қарай олар бірнегізді (сірке қышқылы, құмырсқа, пропион, май, сүт, гликоль қышқылдары), екінегізді (алма, янтар, қымыздық қышқылдары) және көпнегізді (лимон, аконит қышқылдары) болып бөлінеді.

Қасиеттеріне  байланысты органикалық қышқылдар  ұшатын және ұшпайтын болып бөлінеді. Ұшатын органикалық қышқылдарға  уксус, пропион, май қышқылдары және т.б. жатады. Бұлар тез буланады, өткір  иісті. Барлық қалған органикалық қышқылдар - ұшпайтындарына жатады.Органикалық қышқылдардың көп бөлігін карбон кетоқышқылдары алып жатыр. Сонымен қатар карбонды емес органикалық қышқылдарына гетероциклды қосылыстар жатады

Органикалық қышқылдар  тірі организмдердің зат алмасуында маңызды орын алады. Өсімдіктердің тамырына қоректік заттар түскен кезінде, олар катиондар мен аниондардың қажетті арақатынасын сақтайды. Өсімдік клеткаларында белгілі рН мәні бар буферлік қоспа түзеді және де биохимиялық өзгерістердің алғашқы, аралық және соңғы өнімдері болады. Өсімдіктердің сабағында, жапырағында, жемісінде едәуір мөлшерде, бос күйінде және тұз түрінде жинақталады.[42].

Ауыр металдарды байланыстыруда және оның өсімдік бойымен жылжуына ксилема ағымындағы органикалық  қышқылдар және басқа да төменмолекулалы дикарбоксильді аниондар мен органикалық катиондар қатысады. Өсімдіктертамыры арқылы сіңірілгенмысксилема арқылы теріс зарядталған комплекс түрінде, мүмкін АҚ байланысқан түрінде жылжиды. [43]   Күнбағыстың ксилема сөлінде мыстың  99%-ы комплексті түрінде болады. АҚ мыспен берік комплекс түрінде болады. Мұндай АҚ-дарына асбұршағында аспарагин мен гистидин, ал томатта аспарагин және глутамин жатады. НА (никотинамин) томаттың ксилема сөлінде мыстың негізгі тасымалдаушысы.

24 сағат 2,5х10^-4М цитрат ерітіндісінде ұсталған томат өсімдігінде Cd-дің тамырданжер үсті мүшелеріне жылжуы жоғарылаған. Cd-дің концентрациясын 5х10^-6М-ге дейін көтергенде оның жылжуы бақылау вариантымен және Cd-мен цитраты бар вариантымен салыстырғанда 6-8 есе артқан.Басқа зерттеулер бойынша цитраттың қатысында Cd-дің  ксилема клеткаларының қабығы арқылы адсорбциялануы төмендеген.

Сұлы тамырында Cd-дің  негізінен оттегі немесе азот легандаларымен байланысатыны абсорбциялық спектроскоп  арқылы көрсетілген, әйткенмен де, тамырдағы Cd күкірт лигандасымен де,болжам бойынша фитохелатинмен де байланысуы мүмкін. Оттегімен лиганда түзуі цитратпен хилаттауымен сәйкестенеді.

Ксилема сөлінде лимон  қышқылы мен басқа да төменгі  молекулалы дикарбон қышқылдар болады. [44 ]

Кадмий ксилемаға өткеннен кейін комплекс түзеді, ал оның тұрақтылығы лимон қышқылының концентрациясы өскен сайын артады. Осындай органикалық комплекс Cd – цитрат электрофорез әдісімен күріштің ксилема сөлінде байқалған. [45] Басқа зерттеушілердің алған нәтижелері бойынша ксилема сөліндегі Cd-дің  50 %-ы бейорганикалық түрде, негізінен Cd²⁺  немесе Cd(ОН)₂ түрінде болуы мүмкін. Ал біраз Cd-мен жүргізілгентәжірибелердің нәтижелері мынаны көрсетеді: цитраттар және басқа дикарбонды қышқылдар, Cd²⁺  және  Mg²⁺ индары ксилема қабырғасына байланысудабір-бірімен бәселесе отырып, Cd-дің  жылжуын жеңілдетеді. Металл иондарының залалсыздандыруының негізгі механизмі олардың цитоплазмада органикалық қышқылдармен және тиолдармен байланысуы, одан әрі олардың вакуольде жинақталуы.

Өсімдіктердің төзімді түрлері улы иондарды тамырлары мен сабақ вакуолінде жинайды. Өсімдіктер жапырағына жеткен металдар эпидермис вакуолінде және оның туындысы – трихомонада, өсімдік бездерінде жиналады, олар өсімдік организмінен металдарды шығару қызметін атқарады. Өсімдіктердің төзімсіз түрлерінің  металл иондарын тонопластқа шығару мүмкіншілігі аз, сондықтан олар металдарды жылжуын шектелгенқосылыс түрінде цитоплазмада жинайды.

Біраз ғалымдар никельге гипеаккумулятор болатын өсімдіктерді зерттей отырып, никельдің алма және лимон қышқылдарымен комплекс түзетінін көрсеткен. Ал кейбір өсімдік түрлерінде никельдің жоғарғы мөлшері малон қышқылының жоғарғы мөлшерімен сәйкестенеді.

Кейінгі әдебиет мәліметтеріне  қарағанда, өсімдіктердің ауыр металдарға төзімділігінің механизмі әлдеқайда күрделі. Өсімдік толеранттылығы ген деңгейінде реттеледі деген мәліметтер бар.

Ауыр металдардың өсімдіктерде залалсыздануына бірнеше механизм қатысуы мүмкін, соның ішінде органикалық  қышқылдар синтезінің артуы, шок  белоктар синтезінің индукциясы, металотиониндер синтезі. Міне сонда ғана улы элементтерге төзімді өсімдіктердің генетикалық негізін түсіне отырып, оларды ауыр металдармен ластанған аймақтарды тазартуға, яғни фиторемидиация үшін пайдалануға болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ҚОРЫТЫНДЫ

 

1. Мыс  пен  кадмий  иондары  өсімдіктердің өсімі  мен биомасса жинақтауын айтарлықтай  тежеген. Көп дәрежеде өсімдіктің  жер үсті мүшелерімен салыстырғанда  тамырларының өсу процестері  тежелген. Әртүрлі  сорттардың  төзімділігіндегі айырмашылықтар,  ауыр металдарға олардың  сорттық ерекшеліктерімен және генетикалық негізіне байланыстылығын көрсетеді.  

2. Арпа өсімдігі мен   жабайы астық тұқымдас  өсімдіктерінің  түрлерін салыстырғанда,  органикалық  қышқылдар мөлшері екі металмен  әсер еткенде де, көп жағдайда, тамырларында жоғарылаған, ал жер үсті мүшелерінде, керісінше, цитрат мөлшерінің ұлғаю проценті, жабайы түрлермен салыстырғанда, тәжірибе варианттарында төменірек болды. Бұл, берілген түрлердің ауыр металдармен өте қатты ластанған топырақта өсе алатындығын және арпаға қарағанда олар төзімдірек болып келетінін айтады. 3. Өсімдіктердің жер үсті мүшелеріне келіп түскен ауыр металдар, органикалық қышқылдармен байланысуы нәтижесінде өсімдіктерге тым күшті токсикалық әсер  көрсетпей, жалпы метаболизмнен шыға алады.