Тяжелые металлы в системе почва - растение

Предсказать при каких  концентрациях меди в почве возникают  токсические эффекты в растениях, чрезвычайно сложно. Уже за долго  до того, когда растения начинают страдать от избытка меди в почве, продукты питания из сельскохозяйственных культур содержат повышенный уровень меди и представляют опасность для здоровья людей.

Многие исследователи  отмечают большое биологическое  значение цинка и его необходимость  для растений (Школьник, 1974; Ильин, 1985;

Алексеев, 1989; Полевой, 1989; Val, Monge,1990). В растения цинк поступает в форме катиона Zn^    (Ильин, 1985). Он накапливается в листьях, репродуктивных органах и конусах нарастания (Полевой, 1989). В растительных клетках цинк концентрируется в ядре и митохондриях (Ильин, 1985). Установлено, что цинк активнее накапливается в злаках, чем в

 

бобовых (Алексеев, 1987), он оказывает многостороннее действие на обмен веществ, входит в состав ряда ферментов, активизирует работу 13 металлоферментных   комплексов,    способствует    более    полному использованию углекислого газа в фотосинтезе, влияет на синтез белков и ауксина (Школьник, 1974; Ильин, 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989;

Полевой, 1989; Протасова  т др., 1992).

А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас (1989) отмечают, что баланс цинка в поверхностных слоях почв в различных экосистемах показывает, что атмосферное поступление этого металла превышает его вынос за счет выщелачивания и образования биомассы.

Основной и наиболее подвижной формой цинка в почвах считается Zn \однако, в почвах могут присутствовать и некоторые другие формы. Главные факторы, контролирующие подвижность цинка в почвах сходны с указанными выше факторами для меди.

Существуют два различных  механизма адсорбции: один - в кислой среде — связан с катионным обменом, а другой — в щелочной среде -рассматривается как хемосорбция и сильно зависит от присутствия органических лигандов. Таким образом, наиболее важными факторами, контролирующими растворимость цинка в почвах, являются содержание глинистых минералов и водных оксидов и величина рН, тогда как образование органических комплексов и осаждение цинка в виде гидроксидов, карбонатов и сульфидов, по-видимому, не имеют большого значения. Токсический эффект высоких концентраций цинка возрастает по мере снижения рН почвы (Минеев, 1988).

Принято считать, что  цинк более растворимый элемент  в почвах, нежели другие тяжелые  металлы. Он наиболее подвижен и биологически доступен растениям в кислых легких минеральных почвах. Антропогенные  источники цинка - это в первую очередь предприятия цветной металлургии и затем агротехническая деятельность.

 

Среднее содержание цинка  в почвах по Виноградову (1975) равно 50 мг/кг и изменяется в широких пределах - от 10 до 300 мг/кг (Sweine, 1955).

Восстановление качества загрязненных цинком почв обычно основано на ограничении его биологической доступности путем внесения извести или органического вещества.

Форма поступления цинка  в корни растений точно не установлена. Предполагают, что цинк потребляется в виде иона Zn ⁺ и гидротированных его форм, также могут потребляться и некоторые другие комплексные ионы и цинкорганические хелаты.

Загрязнение окружающей среды цинком заметно влияет на концентрацию этого элемента в растениях. В  экосистемах, куда цинк поступает в  виде компонента атмосферных загрязнений, надземные части растений концентрируют, по-видимому, большую его часть. С другой стороны, произрастающие на загрязненных цинком почвах, растения накапливают главную долю этого элемента в корневой системе. Накопление цинка в растениях представляет реальную опасность для здоровья людей.

По анализу литературных источников известно, что содержание никеля в почвах во многом зависит  от содержания его в материнских  породах. Однако уровень концентрации никеля в верхнем слое почв зависит также от почвообразующих процессов и техногенного загрязнения (Ильин, 1982; 1991;

Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

В верхних горизонтах почв никель присутствует главным образом  в органически связанных формах, часть из которых может быть представлена легкорастворимыми хелатами. Органическое вещество обнаруживает способность к адсорбции никеля, вероятно, поэтому он концентрируется в угле и нефти. Норриш утверждает, что формы никеля связанные с оксидами железа и марганца, по-видимому, наиболее доступны для растений. Как правило, растворимость никеля в почвах находится в обратной зависимости от величины рН.

 

В настоящее время  никель считается серьезным поллютантом, поступающим в окружающую среду  с выбросами металлообрабатывающих  предприятий и в связи с  растущими темпами сжигания угля и нефти. Применение осадка сточных вод и фосфорных удобрений также может быть источником поступления его в почвы. Обработка почв, внесение фосфатов или органического вещества способствует снижению доступности никеля для растений.

Доказательства незаменимой роли никеля в метаболизме растений отсутствует, однако выявлено благотворное воздействие этого металла на их рост, позволяет предположить, что он может выполнять определенные функции в растениях. Имеются сообщения о том, что никель является незаменимым компонентом фермента уреазы. Было отмечено, что особенно четко стимулирующий эффект никеля сказывается на нитрификации и минерализации соединении азота (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

Никель быстро и легко  извлекается из почв растениями, и темпы поглощения положительно коррелируют с содержанием его в почвах.

Избыток никеля является причиной железистой недостаточности, обусловленной торможением переноса железа от корней к надземной части  растений. Установлено, что между  никелем и некоторыми микроэлементами может наблюдаться как антагонистическое, так  и  синергическое взаимодействие.

Техногенное загрязнение  почв сильно влияет на концентрацию никеля в растениях. Никель и его соединения представляют серьезную опасность  для здоровья людей, поэтому его перераспределение в окружающей среде в результате сжигаемого топлива, применения осадков сточных вод на сельскохозяйственных территориях и при выбросах промышленных предприятий вызывает определенную тревогу.

Важнейшими источниками  являются естественное (природное) и техногенное поступления тяжелых металлов в почву (Алексеев, 1987;

Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991 и др.).

 

К естественным источникам тяжелых металлов в агроэкосистемах  в первую очередь относятся горные породы, из продуктов выветривания которых, сформировался почвенный покров (Ильин, 1991; Богдановский, 1994). Из почвообразующих пород тяжелые металлы переходят в почвы в соответствии с закономерностями миграции и аккумуляции их в различных геохимических ландшафтах (Перельман.1975). К естественным источникам тяжелых металлов относят также термальные воды и рассолы, космическую и метеоритную пыль, вулканические газы (Ковда, 1985).

Техногенные   источники   поступления   тяжелых   металлов   в агроэкосистемы это: металлообрабатывающие предприятия (Матвеев и др., 1985, 1989; Алексеев, 1987; Ильин, 1991); предприятия цветной и черной металлургии (Бондарев, 1976; Kozel и др., 1988; Ильин, 1991; и др.); добыча полезных ископаемых (Ильин, 1991); сжигание угля и нефти, автотранспорт (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991; и др.), минеральные удобрения, сточные воды и отходы животноводческих комплексов, влияние химизации (Ковда, 1985; Иванова, 1987; Ильин, 1991;

Постников и др., 1994).

Clhopecka и др. (1996) отмечают, что тяжелые металлы из антропогенных источников потенциально более подвижны, чем тяжелые металлы геологического происхождения.

П.Г. Акулов и др. (1995) изучая влияние минеральных и органических удобрений на динамику микроэлементов и тяжелых металлов в почве, установили, что интенсивное применение удобрений не является фактором загрязнения почвы тяжелыми металлами.

Минеральные удобрения  в качестве примесей содержат определенное количество тяжелых металлов. Так  в двойном суперфосфате количество цинка 38 мг/кг, меди - 14, свинца - 39, кадмия - 3,7 и никеля - 21,1 мг/кг удобрения. Цинк (до 115 г/т) поступает в почву в основном с навозом, (он отличается высоким содержанием цинка и меди, тогда как количество кадмия, свинца и никеля в нем не велико), а известь по содержанию свинца и

 

никеля близка к суперфосфату. Кадмий в виде примеси (3,96 мг/кг) содержат калийные удобрения, 5,35 г/т - в извести. Наименьшее количество тяжелых металлов содержится в азотных удобрениях. Однако В.Ф. Ладонин (1995) и М.М. Овчаренко (1995) отметили, что анализ почвы в многолетних опытах показал: что за 22 - 28 лет при систематическом применении навоза, извести и минеральных удобрений обнаружена очень слабая тенденция к увеличению валового содержания тяжелых металлов, и в этой связи, по их мнению, вклад собственно сельскохозяйственного производства в этот вид загрязнения невелик, и часто можно не принимать во внимание по сравнению с постоянным потоком техногенного загрязнения.

Уровень    токсичности    тяжелых    металлов    зависит    от гранулометрического состава почвы, ее кислотности, содержания гумуса, влажности почвы, соотношения в среде металлов и питательных элементов, вида растения и т.д. (Ковда, 1985; Ильин, 1991; Moreno, Perez, 1993;

Bityukova, 1993; Баринова, Иванова, 1995; Джубеликян, 1995; и др.). Буферное действие почвы является весьма существенным фактором для нейтрализации или иммобилизации поступающих в нее тяжелых металлов. Когда доза поступающих загрязнителей превышает природные буферные способности, то буферная система с течением времени истощается, а рН почвы снижается (Stigliani, 1996).

А.Е. Возбуцкая (1964) отмечала, что уровень токсичности тяжелых  металлов зависит не только от гранулометрического  состава почвы, ее кислотности, содержания гумуса, влажности, соотношения в среде тяжелых металлов и питательных элементов, но и от вида растения. Обычно токсичный уровень тяжелых металлов для разных культур различный и зависит от их толерантности к условиям загрязнения. Толерантность растений связана с внутренними факторами. Наиболее ядовитыми как для высших растений, так и для микроорганизмов являются ртуть, медь, никель, свинец, кобальт и кадмий (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Нестерова, 1990;

Ильин, 1991), согласно большому ряду фитотоксичности тяжелых металлов:

 

Cd > Си > Со > Ni > As = Cr > Zn > Mn = F > I, кадмий, медь, никель и цинк относятся к наиболее опасным поллютантам (Гамзикова, 1994; Посыпалов и ДР.1997).

В тоже время строгой  зависимости между содержанием  тяжелых металлов в растениях  и их валовым содержанием в  почве нет, так как растения обладают избирательным накоплением (Школьник, 1983; Ильин, 1991; Гамзикова, 1992). В то же время отмечают, что содержание кадмия в растениях зависит от концентрации его подвижных форм в почве. Почти во всех случаях наблюдается линейная корреляция между содержанием кадмия в растительном материале и в среде роста. Установлено, что корневой барьер снижает поступление кадмия в листья, причем этот эффект сильнее проявляется на черноземах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). М. М. Овчаренко, Г.А. Графская и И.А. Шильников (1995) в своих исследованиях установили прямую корреляционную зависимость между содержанием кадмия в почве и накоплением его в корнеплодах моркови и столовой свеклы. Техногенное загрязнение сильно влияет на содержание никеля в растениях. Он быстро и легко извлекается из почвы растениями, причем темпы поглощения никеля положительно коррелируют с содержанием его в почвах (Ильин, 1982; Шильников, Лебедев и др., 1994). Часто отсутствует зависимость между уровнем содержания тяжелых металлов в почве и поглощением их растениями. Отсутствие этой зависимости часто наблюдается на высокогумусированных почвах, так как органическое вещество почвы адсорбирует металлы, образуя комплексные соединения в виде хелатов, переводя металлы в менее доступную для растений форму (Минеев, 1984).

Большинство видов растений обладает высокой толерантностью к  избытку цинка в среде (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Полевой, 1989;

Протасова и др., 1992). Но, несмотря на это, отмечено, что техногенное  загрязнение влияет на уровень содержания цинка в растительных тканях (Ковда, 1985).

 

Наличие разнообразных  путей поступления тяжелых металлов в растения предполагает существование  двух ведущих факторов формирования элементного химического состава  растений: генетического и экологического. Долевое участие каждого меняется в зависимости от изменений условий среды. При  соответствии  геохимической  обстановки  фитоценозов трофическим требованиям растений их элементный состав в основном отражает работу генетического контроля. В таких условиях выдерживается избирательное и характерное для данного вида поглощение ионов металлов растительными тканями. Экологический фактор препятствует этому в тех случаях, когда среда обитания обогащена подвижными формами тяжелых металлов (Ильин, 1985, 1991).

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. Специфичность распределения тяжелых металлов заключается в том, что по степени насыщенности ими тканей основные органы растений располагаются в ряд: корни > листья > семена > плоды. В связи с этим необходимо по возможности полно использовать защитные свойства почв и растений. Исходя из этого, на малобуферных почвах (невысокое содержание гумуса и ила) отдать предпочтение сельскохозяйственным культурам, у которых на корм скоту или в пищу человека используются наиболее защищенные от тяжелых металлов органы (семена, плоды), тогда как на высокобуферных почвах возможна попытка, возделывать растения, у которых поедаются листья и стебель. Наиболее чистую продукцию можно получить в том случае, когда на высокобуферной почве выращиваются культуры ради семян и плодов. В такой системе почва - растение пищевая ! цепь более надежно защищена от токсикантов (Ильин, Степанова, 1982).

 

Работы  многих  исследователей  свидетельствуют,  что  между химическим составом растений и элементным составом среды существует несомненная связь, а основная масса химических элементов поступает в растение из почвы (Ковалевский, 1969; Добровольский, 1983; Ильин, 1985, 1991; Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

Матвеев и др. (1997), основываясь на проведенном анализе литературных материалов, отмечают, что формирование химического состава сельскохозяйственных растений, в частности, определенных уровней содержания в них тяжелых  металлов, обуславливается несколькими факторами: