Тяжелые металлы в системе почва - растение

В почвах, образовавшихся на кислых породах, особенно легкого  механического состава, мало кобальта и меди. Почвы, которые сформировались на основных породах, содержат много этих элементов. Микроэлементы в почвах могут быть в разных формах: часть их входит в состав почвенных минералов, другие находятся в поглощенном состоянии на поверхности почвенных коллоидов, при этом могут участвовать в обменных реакциях и частично закрепляться на поверхности коллоидных частиц в виде сложных органических и неорганических соединений. Количество

 

микроэлементов, поступающих  в растение, неодинаково. Оно зависит  от вида растения, почвенно-климатических условий, комплекса агротехнических мероприятий (Ильин, 1985).

Биохимические  исследования  показали,  что  роль  элементов  минерального    питания    растений,    и    особенно    микро-    и ультрамикроэлементов, определяется тем, что они входят в состав органических соединений, играющих важную роль в обмене веществ -хелатов  (Возбуцкая,   1964).  Это  органические  внутрикомплексные соединения циклического строения, содержащие в своей молекуле ион какого-либо металла, который непосредственно участвует в образовании кольца. Развитие учения о хелатах значительно расширило представления о физиологической роли элементов минерального питания, и в частности металлов. Образование хелатов обеспечивает передвижение металлов по сосудам растений, перенос электронов между каталитически активными белками и т.д.

Микроэлементы обуславливают поступление  других анионов и катионов в растения, влияют на плодоношение растений, способствуют процессам оплодотворения, повышают урожайность семян, также улучшают качество продукции сельскохозяйственных растений (Лебедев, 1988).

Главный источник микроэлементов для  растений — это их питательная  среда, т.е. питательный раствор или  почвы. Связь микроэлементов с компонентами почвы - один из наиболее важных факторов, определяющих их биологическую доступность.

Метаболические нарушения  в растениях вызываются не только недостатком микроэлементов питания, но и их избытком. В целом растения более устойчивы к повышенным, нежели к пониженным концентрациям  элементов в почве (Протасова  и др., 1992).

Избыток химических элементов  в питательной среде вызывает токсикозы у растений, проявление которых, как сообщает В. Бусслер (цитировано по В.Б. Ильину) имеет свои закономерности по мере

 

возрастания концентрации химических элементов в среде  вначале задерживается рост растений, затем наступает хлороз листьев, который сменяется некрозами и, наконец, повреждается корневая система.

О существовании механизма  защиты растений от избытка химических элементов    могут    свидетельствовать    имеющиеся    данные    о регламентированном поступлении в зерно пшеницы содержащихся в почве в обилии питательных веществ, а также о неравномерном распределении по органам растений, поглощенных из питательной среды химических элементов (Ильин, 1991). В среде с высокой концентрацией любого химического элемента его избыточное поступление в растение неизбежно. Но В.Б. Ильин (1975) отмечал удивительное постоянство содержания химических элементов в репродуктивных органах. Он считает, что элементный химический состав семян находится под сильным генетическим контролем, и соотношение в нем химических элементов соответствует потребностям проростка - гетеротрофа.

При недостатке питательного вещества в почве пониженная концентрация его в растении создается и  за счет антагонистического взаимоотношения: находящиеся в достатке элементы тормозят поступление дефицитного. Сильнее конкурируют между собой химически близкие ионы:

катионы с катионами, анионы с анионами. Однако в зависимости  от конкретных обстоятельств антагонистические  отношения между одними и теми же элементами могут переходить в синергические, и наоборот (Ринькис, 1972).

В. Б. Ильин (1985) отмечает, что надземные органы растений довольно чутко реагируют на повышение  концентрации химических элементов  в среде, увеличивая их содержание в тканях.

Представляет интерес  вопрос о толерантности растений, которую следует понимать, как  их способность обеспечивать нормальное протекание метаболических процессов  и благополучное прохождение  онтогенетического цикла при  высоком содержании ионов в среде. Эта способность достигается,

 

прежде всего, благодаря  избирательному отношению растений к ионам:

дефицитные интенсивно поглощаются корнями, избыточные интенсивно задерживаются. Совместными действиями обоих процессов растительный организм поддерживает необходимый элементный химический состав. И все же частично избыточное ионы проникают в растения, что влечет за собой угрозу срыва физиологических процессов и биохимических реакций. Вследствие этого растения страдают от избытка ионов, понижается их продукционная способность, ухудшается качество продукции. Это указывает на то, что защитные возможности растений не безграничны и часть избыточных ионов попадает в растения. Последнее обстоятельство требует особо пристального внимания, поскольку среди элементов загрязнителей имеются высокотоксичные, такие как кадмий, свинец, цинк, азот (нитратная форма) и др.

Таким образом, как недостаточное, так и избыточное содержание микроэлементов в почвах приводит, по мнению А.Е. Возбуцкой (1964) к страданию растений и в  ряде случаев отражается на здоровье животных и людей.

По данным многих авторов (Розанов, 1980; Ильин, 1985; Минеев, 1989;

Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ягодин, 1993; Петраш, и др. 1994; Байдина, 1995; и др.) приоритетными загрязнителями наряду с ртутью и свинцом являются кадмий, цинк, медь и никель. Поэтому необходимо знать уровень загрязнения пахотного слоя почвы тяжелыми металлами, динамику этого процесса, факторы и источники, способствующие увеличению их накопления в почве и растениях, а также мероприятия, препятствующие поступлению токсичных элементов в растения.

В связи с этим автор  дает более подробный обзор литературы по некоторым приоритетным элементам, как кадмий, медь, цинк и никель, которые  были включены в программу исследований.

Распространенность кадмия в магматических и осадочных породах не превышает 0,3 мг/кг. Этот элемент, по-видимому, концентрируется в

 

глинистых осадках и  сланцах. Геохимия кадмия тесно связана  с геохимией цинка, но кадмий имеет  большее сродство к сере, чем к  цинку, и обнаруживает большую, чем цинк подвижность в кислых средах. При выветривании кадмий легко переходит в раствор, где присутствует в виде Cd^. Он может образовывать также комплексные ионы (СсЮГ, CdOI-T^, CdHCCy, CdCb", CdCU²", Cd(OH).3 и Cd(OH)4²") и органические хелаты.

Главный фактор, определяющий содержание кадмия в почвах — это  химический состав материнских пород. Средние содержания кадмия в почвах лежат между 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни кадмия в почвах, по-видимому, не превосходят 0,5 мг/кг и  все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание кадмия в верхнем слое почв. Кадмий наиболее подвижен в кислых почвах в интервале рН 4,5 -5,5, тогда как в щелочных почвах он относительно неподвижен (Ильин, 1985;

Минеев, 1989; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; и др.).

Загрязнение почвы кадмием  рассматривается, как наиболее серьезная  опасность для здоровья.

Источниками загрязнения  почвы кадмием являются свинцово -цинковые рудники, предприятия цветной  металлургии, орошение сточными водами и фосфатные удобрения.

Биологическая роль кадмия изучена слабо, отмечается токсичность  данного элемента (Ковда, 1985). По Дж. Эмсли (1993) кадмий токсикант, канцероген, тератоген. Считается, что кадмий не входит в число необходимых для  растений элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями. Почти во всех случаях наблюдается линейная корреляция между содержанием кадмия в растениях и в почве. Главным фактором, контролирующим поглощение кадмия, является рН почвенного раствора.

Кадмий считается токсичным  элементом для растений, и основная причина его токсичности связана  с нарушением энзиматической активности. Он препятствует нормальному метаболизму  ряда микрокомпонентов

 

питания, тормозит фотосинтез, нарушает транспирацию и фиксацию СОз, изменяет проницаемость клеточных мембран. Известно, что кадмий ингибирует микробиологические процессы в почвах. Установлено, что корневой барьер снижает поступление кадмия в листья, причем этот эффект сильнее проявляется на черноземах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

Содержащийся в растениях  кадмий представляет наибольшую опасность, так как может служить источником поступления в организм животных и человека. Поэтому толерантность  и адаптация некоторых видов  растений к повышенным содержаниям  кадмия представляют угрозу для здоровья человека.

Интенсивное  использование  агрохимических  средств  требует  определения баланса не только биогенных  элементов, но и тяжелых металлов в системе «удобрение - почва - растение».

I. Williams, D. David (1973) подсчитали, что накопление кадмия в почве из удобрений не превышает 20 мг/га в год. Такое увеличение по нормам ВОЗ не опасно. Однако кадмий, накапливающийся в почве из удобрений за несколько лет, может привести к существенному увеличению содержания кадмия в растениях. Так, по данным тех же авторов (1976) применение суперфосфата в течение 5 лет в количестве 1980 кг/га повысило содержание кадмия в зерне пшеницы с 0,008 до 0,028 мг/кг, или в 3,5 раза.

По мнению В.Г. Минеева (1988) пока непосредственной опасности  широкого загрязнения среды кадмием за счет агрохимических средств нет, но потенциальная опасность существует, и она настоятельно диктует необходимость изыскания различных путей предотвращения загрязнения почвы кадмием и накопление его в продуктах питания и кормах.

Специфичность распределения  тяжелых металлов заключается в  том, что по степени насыщенности ими тканей основные органы растений располагаются в ряд: корни > листья > семена > плоды (Ильин, 1992).

 

Видимые симптомы, вызванные  повышенным содержание кадмия в растениях — это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев или прожилок.

Концентрация кадмия в почвенных растворах относительно низкая и составляет 0,2...6,0 мкг/л. гораздо  более высокое значение (до 300 мкг/л) указывает на загрязнение почвы.

Известно, что сорбция  кадмия - очень быстрый процесс. По данным Кристенсена сорбция кадмия на 95 % проходит за 10 минут, а через 12 устанавливается равновесие. Повышение  концентрации кадмия в почвенных  растворах существенно повышает сорбционную емкость почв в отношении кадмия Почвы имеют очень высокое сродство к кадмию при рН = 6 (Гамзикова,1994; Sanchez-Camazano и др.,1994).

B.C. Барсукова и О.И. Гамзикова (1995) отмечали, что кадмий в зерне и других надземных органах растений определяется в основном «эффектом задержания» его в корнях, который в два раза выше у устойчивых по сравнению с неустойчивыми генотипами. В присутствии кадмия имеет место изменение микроэлементного состава растений, так как   происходит снижение таких элементов как медь, железо, кальций и марганец.

Медь относят к истинным биоэлементам, так как она всегда присутствует в почвах, растениях, тканях животных и участвует в разнообразных  метаболических реакциях (Школьник, 1974; Ильин, 1985;

Кабата-Пендиас, Пендиас,1989; Протасова и др.,1992).

Благоприятное содержание меди в растениях важно как  для здоровья растений, так и их использования в питании человека и животных. Некоторые виды растений имеют большую устойчивость к  повышенным содержаниям меди и могут аккумулировать экстремально высокие количества этого элемента в своих тканях.

Среднее содержание меди в растениях 0,0002 % или 0,2 мг на 1 кг массы, в зависимости от видовых особенностей и почвенных условий. В растительную клетку медь поступает в форме Си ²⁺. В клетке 2/3 меди может

 

находиться в нерастворенном, связанном состоянии. Относительно богаты этим элементом семена и растущие части.

Как показали исследования, медь активизирует витамины группы В, влияет на углеводный и белковый обмены, проявляет защитное действие против распада хлорофилла. Наличие меди в растениях повышает устойчивость их к грибковым болезням (Лебедев, 1988).

Определенные функции  выполняет этот микроэлемент в азотном  обмене, входя в состав нитратредуктазного комплекса, который влияет на активность ряда ферментов, участвующих в фиксации молекулярного азота атмосферы.

Благодаря регулирующему  действию на содержание в растениях  ингибиторов роста фенольной  природы медь повышает устойчивость растений к полеганию. Она повышает также засухо-, морозо- и жароустойчивость. Недостаток меди вызывает задержку роста и цветения, хлороз, потерю тургора и завядание, у злаков белеют кончики листьев, не развивается колос (Полевой, 1989).

Загрязнение почвы соединениями меди - это результат использования медьсодержащих веществ: удобрений, растворов для опрыскивания, а также поступление из индустриальных источников. Важным источником меди остаются пестициды (Матвеева и др.,1993). Самое важное обстоятельство в загрязнении почвы медью - это большая склонность поверхностного слоя почвы к ее накоплению.

Несмотря на общую  толерантность растительных видов, и генотипов к меди, этот элемент  все же рассматривается как сильно токсичный. Главные симптомы отравления медью показывают, что наиболее обычными из них являются - медь-индуцированный хлороз и пороки развития корневой системы.

Аккумуляция в верхних  горизонтах - обычная черта распределения  меди в почвенном профиле, как  результат действия разных факторов, но,

 

прежде всего концентрация меди в верхнем слое почвы отражает ее биоаккумуляцию, а также современное антропогенное влияние.

Преобладающей формой меди в почве является катион с валентностью '2, однако в почвах могут присутствовать и другие сложные формы. Ионы меди способны удерживаться в обменных позициях на неорганических и органических веществах (Кабата-Пендиас, Пендиас,1989).

Некоторые почвенные  минералы, такие как гидрооксиды  алюминия и железа, карбонаты, фосфаты  и глинистые силикаты имеют большую  склонность к связыванию меди в неподвижные  соединения, которые представляют собой наиболее устойчивую ее форму в почве (хемосорбция).

Способность почв связывать  медь и содержать ее в растворенном виде сильно зависит от характера  и количества органического вещества в почвах. Гуминовые и фульвокислоты  способны образовывать устойчивые комплексы с медью, когда она присутствует в малых количествах. Микробиологическая фиксация меди - важный этап в ее экологическом круговороте. Хотя медь -один из наименее подвижных тяжелых металлов в почве, ее содержание в почвенных растворах достаточно велико во всех типах почв и колеблется от Здо 135 мкг/л.