Экология растений тяжёлые металлы

Глава 1. ТЯЖЕЛЫЕ  МЕТАЛЛЫ: БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ,

СОДЕРЖАНИЕ В  ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ  

Тяжелые металлы – это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40. Появление в литературе термина «тяжелые металлы» было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов. Однако в группу «тяжелых» вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны (Алексеев, 1987; Минеев, 1988; Краснокутская и др., 1990; Сает и др., 1990; Ильин, 1991; Кадмий: экологические…, 1994; Тяжелые…, 1997; Пронина, 2000).

Различия в терминологии в основном связаны с концентрацией  металлов в природной среде. С  одной стороны, концентрация металла  может быть избыточной и даже токсичной, тогда этот металл называют «тяжелым», с другой стороны, при нормальной концентрации или дефиците его относят  к микроэлементам. Таким образом, термины микроэлементы и тяжелые  металлы - категории скорее всего  качественные, а не количественные, и привязаны к крайним вариантам экологической обстановки (Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Майстренко и др., 1996; Ильин, Сысо, 2001).

Функции живого организма  нераздельно связаны с химизмом земной коры и должны изучаться в  тесной связи с последним (Виноградов, 1957; Вернадский, 1960; Авцын и др., 1991; Добровольский, 1997). По мнению А.П. Виноградова (1957), количественное содержание того или иного элемента в организме определяется его содержанием во внешней среде, а также свойствами самого элемента, с учетом растворимости его соединений. Впервые научные основы учения о микроэлементах в нашей стране обосновал В. И. Вернадский (1960). Фундаментальные исследования были проведены А.П. Виноградовым (1957) – основоположником учения о биогеохимических провинциях и их роли в возникновении эндемических заболеваний человека и животных и В.В. Ковальским (1974) – основоположником геохимической экологии и биогеографии химических элементов, впервые осуществившим биогеохимическое районирование СССР.

В настоящее время из 92 встречающихся в природе элементов 81 обнаружен в организме человека. При этом 15 из них (Fe, I, Cu, Zn, Co, Cr, Mo, Ni, V, Se,Mn, As, F, Si, Li) признаны жизненно необходимыми. Однако они могут оказывать отрицательное влияние на растения, животных и человека, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Cd, Pb, Sn и Rb считаются условно необходимыми, т.к. они, по всей видимости, не очень важны для растений и животных и опасны для здоровья человека даже при относительно низких концентрациях (Добровольский, 1980; Рэуце, Кырстя, 1986; Ягодин и др., 1989; Авцын и др., 1991; Давыдова, 1991; Вронский, 1996; Панин, 2000; Пронина, 2000).

В течение длительного  времени в биогеохимических исследованиях  микроэлементов превалировал интерес  к геохимическим аномалиям и  возникающим из-за них эндемиям природного происхождения. Однако в последующие  годы, в связи с бурным развитием  промышленности и глобальным техногенным  загрязнением окружающей среды, наибольшее внимание стали привлекать аномалии элементов, в большей степени  ТМ, имеющих индустриальное происхождение. Уже сейчас во многих регионах мира окружающая среда становится все  более химически «агрессивной». В  последние десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель (Геохимия…, 1986; Лепнева, 1987; Ильин и др., 1988, 1997; Kabala, Singh, 2001; Kathryn and etc., 2002), особенно если на них выращиваются, а затем используются в пищу сельскохозяйственные растения (Рэуце, Кырстя, 1986; Ильин, 1985, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Черных, 1996 и др.).

Влияние микроэлементов на жизнедеятельность животных и человека активно изучается и в медицинских  целях. В настоящее время выявлено, что многие заболевания, синдромы и  патологические состояния вызваны  дефицитом, избытком или дисбалансом  микроэлементов в живом организме  и имеют общее название «микроэлементозы» (Авцын и др., 1991).

В проведенных нами исследованиях  металлы изучались с позиций  их токсического воздействия на живые  организмы, вызванного антропогенным  загрязнением окружающей среды, поэтому для изученных элементов мы использовали термин «тяжелые металлы». 

1.1. Биологическая  роль и токсикологическое влияние  тяжелых металлов

В последние годы все сильнее  подтверждается важная биологическая  роль большинства металлов. Многочисленными  исследованиями установлено, что влияние  металлов весьма разнообразно и зависит  от содержания в окружающей среде  и степени нуждаемости в них  микроорганизмов, растений, животных и  человека.

Фитотоксичное действие ТМ проявляется, как правило, при высоком  уровне техногенного загрязнения ими  почв и во многом зависит от свойств  и особенностей поведения конкретного  металла. Однако в природе ионы металлов редко встречаются изолированно друг от друга. Поэтому разнообразные  комбинативные сочетания и концентрации разных металлов в среде приводят к изменениям свойств отдельных  элементов в результате их синергического или антагонистического воздействия  на живые организмы. Например, смесь  цинка и меди в пять раз токсичнее, чем арифметически полученная сумма  их токсичности, что обусловлено  синергизмом при совместном влиянии  этих элементов. Подобным образом действует  и смесь цинка с никелем. Однако существуют наборы металлов, совместное действие которых проявляется аддитивно. Ярким примером этого являются цинк и кадмий, проявляющие взаимный физиологический  антагонизм (Химия…,1985). Очевидны проявления синергизма и антагонизма металлов и в их многокомпонентых смесях. Поэтому суммарный токсикологический эффект от загрязнения среды ТМ зависит не только от набора и уровня содержания конкретных элементов, но и особенностей их взаимного воздействия на биоту.

Таким образом, влияние ТМ на живые организмы весьма разнообразно Это обусловлено, во-первых, химическими  особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, в-третьих, условиями окружающей среды. Ниже, согласно имеющимся в литературе данным (Химия…,1985; Кеннет, Фальчук, 1993; Кадмий: экологические …, 1994; Strawn, Sparks, 2000 и др.), приводим краткую характеристику влияния ТМ на живые организмы.

Свинец. Биологическая роль свинца изучена весьма слабо, однако в литературе встречаются данные (Авцын и др., 1991), подтверждающие, что металл жизненно необходим для животных организмов на примере крыс. Животные испытывают недостаток этого элемента при концентрации его в корме менее 0,05-0,5 мг/кг (Ильин, 1985; Кальницкий, 1985). В небольших количествах он необходим и растениям. Дефицит свинца в растениях возможен при его содержании в надземной части от 2 до 6 мкг/кг сухого вещества (Кальницкий, 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

Повышенный интерес к  свинцу вызван его приоритетным положением в ряду основных загрязнителей окружающей природной среды (Ковальский, 1974; Сает, 1987; Доклад…, 1997; Снакин, 1998; Макаров, 2002). Металл токсичен для микроорганизмов, растений, животных и людей.

Избыток свинца в растениях, связанный с высокой его концентрацией  в почве, ингибирует дыхание и  подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого  снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции. Внешние симптомы негативного  действия свинца – появление темно-зеленых  листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. Устойчивость растений к его избытку неодинаковая: менее  устойчивы злаки, более устойчивы бобовые. Поэтому симптомы токсичности у различных культур могут возникнуть при разном валовом содержании свинца в почве - от 100 до 500 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, Сысо, 2001). Концентрация металла выше 10 мг/кг сух. в-ва является токсичной для большинства культурных растений (Рэуце, Кырстя, 1986).

В организм человека свинец в основном поступает через пищеварительный  тракт. При токсичных дозах элемент  накапливается в почках, печени, селезенке и костных тканях.  При свинцовом токсикозе поражаются в первую очередь органы кроветворения (анемия), нервная система (энцефалопатия и нейропатия) и почки (нефропатия). Наиболее восприимчива к свинцу гематопоэтическая система, особенно у детей.

Кадмий хорошо известен, как токсичный элемент, но он же относится к группе "новых" микроэлементов (кадмий, ванадий, кремний, олово, фтор) и в низких концентрациях способен стимулировать их рост некоторых животных  (Авцын и др., 1991). Для высших растений значение кадмия достоверно не установлено.

Основные проблемы, связанные  у человечества с этим элементом, обусловлены техногенным загрязнением окружающей среды и его токсичностью для живых организмов уже при низких концентрациях (Ильин, Сысо, 2001).

Токсичность кадмия для растений проявляется в нарушении активности ферментов,  торможении фотосинтеза, нарушении транспирации, а также ингибировании восстановления NО₂ до NО. Кроме того, в метаболизме растений он является антагонистом ряда элементов питания (Zn, Cu, Mn, Ni, Se, Ca, Mg, P). При токсичном воздействии металла у растений наблюдаются задержка роста, повреждение корневой системы и хлороз листьев. Кадмий достаточно легко поступает из почвы и атмосферы в растения. По фитотоксичности  и  способности накапливаться в растениях в ряду ТМ он занимает первое место (Cd > Cu > Zn> Pb) (Овчаренко и др., 1998). 

Кадмий  способен накапливаться в организме человека и животных, т.к. сравнительно легко усваивается из пищи и воды и проникает в различные органы и ткани. Токсичное действие металла проявляется уже при очень низких концентрациях. Его избыток ингибирует синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, влияет на активность ферментов, нарушает усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), что может вызывать их дефицит.

Обмен кадмия в организме  характеризуется следующими основными  особенностями (Авцын и др., 1991): отсутствием  эффективного механизма гомеостатического  контроля; длительным удержанием (кумуляцией) в организме с очень долгим периодом полувыведения (в среднем 25 лет); преимущественным накоплением  в печени и почках;  интенсивным взаимодействием с другими двухвалентными металлами как в процессе всасывания, так и на тканевом уровне.

Хроническое воздействие  кадмия на человека приводит к нарушениям почечной функции, легочной недостаточности, остеомаляции, анемии и потере обоняния. Существуют данные о возможном канцерогенном  эффекте кадмия и о вероятном участии его в развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Наиболее тяжелой формой хронического отравления кадмием является болезнь итай-итай, характеризующаяся деформацией скелета с заметным уменьшением роста, поясничными болями, болезненными явлениями в мышцах ног, утиной походкой. Кроме того, отмечаются частые переломы размягченных костей даже при кашле, а также нарушение функции поджелудочной железы, изменения в желудочно-кишечном тракте, гипохромная анемия, дисфункция почек и др. (Авцын и др., 1991).

Цинк.  Особый интерес к цинку связан с открытием его роли в нуклеиновом обмене, процессах транскрипции, стабилизации нуклеиновых кислот, белков и особенно компонентов биологических мембран (Пейве, 1961), а также в обмене витамина А. Ему принадлежит важная роль в синтезе нуклеиновых кислот и белка. Цинк присутствует во всех 20-ти нуклеотидилтрансферазах, а его открытие в обратных транскриптазах позволило установить тесную взаимосвязь с процессами канцерогенеза. Элемент необходим для стабилизации структуры ДНК, РНК, рибосом, играет важную роль в процессе трансляции и незаменим на многих ключевых этапах экспрессии гена. Цинк обнаружен в составе более 200 ферментов, относящихся ко всем шести классам, включая гидролазы, трансферазы, оксидоредуктазы, лиазы, лигазы и изомеразы (Авцын и др., 1991). Уникальность цинка заключается в том, что ни один элемент не входит в состав такого количества ферментов и не выполняет таких разнообразных физиологических функций  (Кашин, 1999).

Повышенные концентрации цинка оказывают токсическое  влияние на живые организмы. У  человека они вызывают тошноту, рвоту, дыхательную недостаточность, фиброз легких, является канцерогеном (Кеннет, Фальчук, 1993). Избыток цинка в растениях возникает в зонах промышленного загрязнения почв, а также при неправильном применении цинксодержащих удобрений. Большинство видов растений обладают высокой толерантностью к его избытку в почвах. Однако при очень высоком содержании этого металла в почвах обычным симптомом цинкового токсикоза является хлороз молодых листьев. При избыточном его поступлении в растения и возникающим при этом антагонизме с другими элементами снижается усвоение меди и железа и проявляются симптомы их недостаточности.

В организмах животных и  человека цинк оказывает влияние  на деление и дыхание клеток, развитие скелета, формирование мозга и поведенческих  рефлексов, заживление ран, воспроизводительную  функцию, иммунный ответ, взаимодействует  с инсулином. При дефиците элемента возникает ряд кожных заболеваний. Токсичность цинка для животных и человека невелика, т.к. при избыточном поступлении он не кумулируется, а  выводится. Однако в литературе имеются  отдельные сообщения о токсическом  влиянии этого металла: у животных снижается прирост живой массы, появляется депрессия в поведении, возможны аборты (Кальницкий, 1985). В целом же наибольшую проблему для растений, животных и человека в большинстве случаев представляет дефицит цинка, нежели его токсичные количества.

Медь – является одним из важнейших незаменимых элементов, необходимых для живых организмов. В растениях она активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, восстановления и фиксации азота. Медь входит в состав целого ряда ферментов-оксидаз – цитохромоксидазы, церулоплазмина, супероксидадисмутазы, уратоксидазы и других (Школьник, 1974; Авцын и др., 1991) и участвует в биохимических процессах как составная часть ферментов, осуществляющих реакции окисления субстратов молекулярным кислородом. Данные по токсичности элемента для растений немногочисленны. В настоящее время основной проблемой считается недостаток меди в почвах или ее дисбаланс с кобальтом. Основные признаки дефицита меди для растений – замедление, а затем и прекращение формирования репродуктивных органов, появление щуплого зерна, пустозернистых колосьев, снижение устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды. Наиболее чувствительны к ее недостатку пшеница, овес, ячмень, люцерна, столовая свекла, лук и подсолнечник (Ильин, Сысо 2001; Adriano,1986).

В организме взрослого  человека половина от общего количества меди содержится в мышцах и костях и 10% - в печени. Основные процессы всасывания этого элемента происходят в желудке  и тонкой кишке. Ее усвоение и обмен  тесно связаны с содержанием в пище других макро- и микроэлементов и органических соединений. Существует физиологический антагонизм меди с молибденом и сульфатной серой, а также марганцем, цинком, свинцом, стронцием, кадмием, кальцием, серебром. Избыток данных элементов, наряду с низким содержанием меди в кормах и продуктах питания, может обусловить значительный дефицит последней в организмах человека и животных, что в свою очередь приводит к анемии, снижению интенсивности роста, потере живой массы, а при острой нехватке металла (менее 2-3 мг в сутки) возможно возникновение ревматического артрита и эндемического зоба. Чрезмерное поглощение меди человеком приводит к болезни Вильсона, при которой избыток элемента откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе и миокарде.