Экология растений тяжёлые металлы

Никель. Биологическая роль никеля заключается в участии в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов – ДНК, РНК и белка. Наряду с этим он присутствует и в гормональной регуляции организма. По своим биохимическим свойствам никель весьма схож с железом и кобальтом. Недостаточность металла у жвачных сельскохозяйственных животных проявляется в снижении активности ферментов и возможности летального исхода.

До настоящего времени  в литературе не встречаются данные о дефиците никеля для растений, однако в ряде экспериментов установлено  положительное влияние внесения никеля в почвы на урожайность  сельскохозяйственных культур, которое, возможно, связано с тем, что он стимулирует микробиологические процессы нитрификации и минерализации соединений азота в почвах (Кашин, 1998; Ильин, Сысо, 2001; Brown, Wilch, 1987).  Токсичность никеля для растений проявляется в подавлении процессов фотосинтеза и транспирации, появлении признаков хлороза листьев. Для животных организмов токсический эффект элемента сопровождается снижением активности ряда металлоферментов, нарушением синтеза белка, РНК и ДНК, развитием выраженных повреждений во многих органах и тканях. Экспериментально установлена эмбриотоксичность никеля (Строчкова и др., 1987; Ягодин и др., 1991). Избыточное поступление металла в организм животных и человека может быть связано с интенсивным техногенным загрязнением почв и растений этим элементом.

Хром. Хром относится к числу элементов, жизненно необходимых животным организмам. Основные его функции - взаимодействие с инсулином в процессах углеводного обмена, участие в структуре и функции нуклеиновых кислот и, вероятно, щитовидной железы (Авцын и др., 1991). Растительные организмы положительно реагируют на внесение хрома при низком содержании в почве доступной формы, однако вопрос о незаменимости элемента для растительных организмов продолжает изучаться.

Токсичное действие металла  зависит от валентности: шестивалентный катион гораздо токсичнее трехвалентного. Симптомы токсичности хрома внешне проявляются в снижении темпов роста  и развития растений, увядании надземной  части, повреждении корневой системы и хлорозе молодых листьев. Избыток металла в растениях приводит к резкому снижению концентраций многих физиологически важных элементов, в первую очередь К, Р, Fe, Mn, Cu, B.  В организме человека и животных общетоксикологическое, нефротоксическое и гепатотоксическое действие оказывает Cr⁶⁺. Токсичность хрома выражается в изменении иммунологической реакции организма, снижении репаративных процессов в клетках, ингибировании ферментов, поражении печени, нарушении процессов биологического окисления, в частности цикла трикарбоновых кислот. Кроме того, избыток металла вызывает специфические поражения кожи (дерматиты, язвы), изъявления слизистой оболочки носа, пневмосклероз, гастриты, язву желудка и двенадцатиперстной кишки, хромовый гепатоз, нарушения регуляции сосудистого тонуса и сердечной деятельности. Соединения Cr⁶⁺, наряду с общетоксикологическим действием, способны вызывать мутагенный и канцерогенный  эффекты. Хром, помимо легочной ткани, накапливается в печени, почках, селезенке, костях и костном мозге (Краснокутская и др., 1990).

Влияние токсичных концентраций ТМ на растения приведено в таблице 1.1, а на здоровье человека и животных – в таблице 1.2.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.1

Влияние токсичных концентраций некоторых тяжелых  металлов на растения  

 

Элемент	Концентрация в почве, мг/кг	Реакция растений на повышенные концентрации ТМ
Pb	100-500	Ингибирование дыхания и  подавление процесса фотосинтеза, иногда увеличение содержания кадмия и снижение поступления цинка, кальция, фосфора, серы, снижение урожайности, ухудшение  качества растениеводческой продукции. Внешние симптомы – появление  темно-зеленых листьев, скручивание  старых листьев, чахлая листва
Cd	1-13	Нарушение активности ферментов, процессов транспирации и фиксации СО2, торможение фотосинтеза, ингибирование биологического восстановления NО2 до NО, затруднение поступления и метаболизма в растениях ряда элементов питания. Внешние симптомы - задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев.
Zn	140-250	Хлороз молодых листьев
Cr	200-500	Ухудшение роста и развития растений, увядание надземной части, повреждение корневой системы, хлороз молодых листьев, резкое снижение содержания в растениях большинства незаменимых макро- и микроэлементов (К, Р, Fe, Mn, Cu, B и др.).
Ni	30-100*	Подавление процессов  фотосинтеза и транспирации, появление  признаков хлороза

Примечание: * - подвижная форма, по данным: Рэуце, Кырстя, 1986; Кабата-Пендиас, Пендиас,1989; Ягодин и др., 1989;. Ильин, Сысо, 2002

 

Таблица 1.2 

Влияние загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами  

на здоровье человека и  животных

Элемент	Характерные заболевания  при высоких концентрациях ТМ в организме
Pb	Повышение смертности от сердечно-сосудистых заболеваний, рост общей заболеваемости, изменения в легких детей, поражения  органов кроветворения, нервной  и сердечно-сосудистой системы, печени, почек, нарушения течения беременности, родов, менструального цикла, мертворождаемости, , врожденных уродств. Угнетение активности многих ферментов, нарушение процессов метаболизма.
Cd	Нарушения функций почек, ингибирование синтеза ДНК, белков и нуклеиновых кислот, снижение активности ферментов, замедление поступления  и обмена других микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), что может вызывать их дефицит в организме.
Zn	Изменение морфологического состава крови, злокачественные  образования, лучевые болезни; у  животных – снижение прирост живой  массы, депрессия в поведении, возможность  абортов.
Cu	Увеличение смертности от рака органов дыхания.
Cr	Изменение иммунологической реакции организма, снижение репаративных процессов в клетках, ингибирование ферментов, поражение печени.
Ni	Нарушение синтеза белка, РНК и ДНК, развитие выраженных повреждений  во многих органах и тканях.

По данным: Методические …, 1982; Кальницкий, 1985; Авцын и др., 1991; Покатилов, 1993; Макаров, 2002 

 

1.2. Тяжелые металлы  в почвах          

Содержание ТМ в почвах зависит, как установлено многими  исследователями, от состава исходных горных пород, значительное  разнообразие которых связано со сложной геологической историей развития территорий (Ковда, 1973).  Химический состав почвообразующих пород, представленный продуктами выветривания горных пород, предопределен химическим составом исходных горных пород и зависит от условий гипергенного преобразования.

В последние десятилетия  в процессы миграции ТМ в природной  среде интенсивно включилась антропогенная  деятельность человечества. Количества химических элементов, поступающие  в окружающую среду в результате техногенеза, в ряде случаев значительно  превосходят уровень их естественного  поступления. Например, глобальное выделение Pb из природных источников в год составляет 12 тыс.т. и антропогенная эмиссия 332 тыс.т. (Nriagu, 1989). Включаясь в природные циклы миграции, антропогенные потоки приводят к быстрому распространению загрязняющих веществ в природных компонентах городского ландшафта, где неизбежно их взаимодействие с человеком. Объемы поллютантов, содержащих ТМ, ежегодно возрастают и наносят ущерб природной среде, подрывают существующее экологическое равновесие и негативно сказываются на здоровье людей.

Основными источниками антропогенного поступления ТМ в окружающую среду  являются тепловые электростанции, металлургические предприятия, карьеры и шахты  по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей, сжигание нефти и различных отходов, производство стекла, удобрений, цемента и пр. Наиболее мощные ореолы ТМ возникают вокруг предприятий черной и особенно цветной металлургии в результате атмосферных выбросов (Ковальский, 1974; Добровольский, 1983; Израэль, 1984; Геохимия…, 1986; Сает, 1987; Панин, 2000;Kabala, Singh, 2001). Действие загрязняющих веществ  распространяется на десятки километров от источника поступления элементов в атмосферу. Так, металлы в количестве от 10 до 30 % от общего выброса в атмосферу распространяются на расстояние 10 км и более от промышленного предприятия. При этом наблюдается комбинированное загрязнение растений, слагающееся из непосредственного оседания аэрозолей и пыли на поверхность листьев и корневого усвоения ТМ, накопившихся в почве в течение продолжительного времени поступления загрязнений из атмосферы (Ильин, Сысо, 2001).

По приведенным ниже данным можно судить о размерах антропогенной  деятельности человечества: вклад техногенного свинца составляет 94-97% (остальное - природные источники), кадмия - 84-89%, меди - 56-87%, никеля - 66-75%, ртути - 58% и т.д. При этом 26-44% мирового антропогенного потока этих элементов приходится на Европу, а на долю европейской территории бывшего СССР - 28-42% от всех выбросов в Европе (Вронский, 1996). Уровень техногенного выпадения ТМ из атмосферы в разных регионах мира неодинаков (табл. 1.3) и зависит от наличия разрабатываемых месторождений, степени развитости горно-обогатительной и промышленной индустрии, транспорта, урбанизированности территорий и др.

 

 

 

Таблица 1.3

Выпадение тяжелых металлов из атмосферы на подстилающую поверхность

регионов мира, тыс. т/год (Израэль и др., 1989, цит. по Вронский, 1996)

Регион	Свинец	Кадмий	Ртуть
Европа	47	1,59	14
ETC	28	1,78	10,6
Азия	52	2,58	41
Азиатская часть б. СССР	21,4	0,88	20,9
Северная Америка	136	7,36	17,8
Центральная и Южная Америка	58	1,5	24,9
Африка	49	1,2	28,4
Австралия	12	0,22	6,8
Арктика	2,2	0,87	19,4
Антарктида	0,38	0,016	0,1

Изучение долевого участия  различных производств в глобальный поток эмиссии ТМ показывает: 73% меди и 55% кадмия связаны с выбросами предприятий по производству меди и никеля; 54% эмиссии ртути приходится на сжигание угля; 46% никеля — на сжигание нефтепродуктов; 86% свинца поступает в атмосферу от автотранспорта (Вронский, 1996). Некоторое количество ТМ в окружающую среду поставляет и сельское хозяйство, где применяются пестициды и минеральные удобрения, в частности в суперфосфатах содержатся значительные количества хрома, кадмия, кобальта, меди, никеля, ванадия, цинка и др.

Заметное действие на окружающую среду оказывают элементы, выбрасываемые  в атмосферу через трубы предприятий  химической, тяжелой и атомной  промышленности. Долевое участие  в атмосферном загрязнении тепловых и иных электростанций составляет 27 %, предприятий  черной металлургии – 24,3 %, предприятий по добыче и изготовлению строительных материалов – 8,1 % (Алексеев, 1987; Ильин, 1991). ТМ (за исключением ртути) в основном заносятся в атмосферу в составе аэрозолей. Набор металлов и их содержание в аэрозолях определяются специализацией промышленных и энергетических мероприятий. При сжигании угля, нефти, сланцев вместе с дымом в атмосферу поступают элементы, содержащиеся в этих видах топлива. Так, каменный уголь содержит церий, хром, свинец, ртуть, серебро, олово, титан, а также уран, радий и другие металлы.

Наиболее существенное загрязнение  среды вызывают мощные тепловые станции (Майстренко и др., 1996). Ежегодно только при сжигании угля в атмосферу выбрасывается  ртути в 8700 раз больше, чем может быть включено в естественный биогеохимический цикл, урана – в 60, кадмия – в 40, иттрия и циркония – в 10, олова – в 3-4 раза. 90 % кадмия, ртути, олова, титана и цинка, загрязняющих атмосферу, попадает в нее при сжигании каменного угля. Это в значительной степени затрагивает и Республику Бурятия, где предприятия энергетики, использующие каменный уголь являются крупнейшими загрязнителями атмосферы. Среди них (по вкладу в общие выбросы) выделяются Гусиноозерская ГРЭС (30%) и ТЭЦ-1 г. Улан-Удэ (10%). 

Заметное загрязнение  атмосферного воздуха и почвы  происходит за счет транспорта. Большинство  ТМ, содержащихся в пылегазовых выбросах промышленных предприятий, как правило, более растворимы, чем природные  соединения (Большаков и др., 1993).  Среди наиболее активных источников поступления ТМ выделяются крупные индустриально развитые города. Металлы сравнительно быстро накапливаются в почвах городов и крайне медленно из них выводятся: период полуудаления цинка — до 500 лет, кадмия — до 1100 лет, меди — до 1500 лет, свинца — до нескольких тысяч лет (Майстренко и др., 1996). Во многих городах мира высокие темпы загрязнения ТМ привели к нарушению основных агроэкологических функций почв (Орлов и др., 1991; Касимов и др., 1995). Выращивание сельскохозяйственных растений, используемых в пищу вблизи этих территорий потенциально опасно, поскольку культурами накапливаются избыточные количества ТМ, способные приводить к различным заболеваниям человека и животных.

По мнению ряда авторов (Ильин, Степанова, 1979; Зырин, 1985; Горбатов, Зырин, 1987 и др.), степень загрязнения почв ТМ правильнее оценивать по содержанию их наиболее биодоступных мобильных форм. Однако предельно допустимые концентрации (ПДК) подвижных форм большинства ТМ в настоящее время не разработаны. Поэтому критерием для сравнения могут служить литературные данные по уровню их содержания, приводящего к неблагоприятным экологическим последствиям.

Ниже приводим краткое  описание свойств металлов, касающихся особенностей их поведения в почвах.

Свинец (Pb). Атомная масса 207,2. Приоритетный элемент-токсикант. Все растворимые соединения свинца ядовиты. В естественных условиях он существует в основном в форме PbS.  Кларк Pb в земной коре 16,0 мг/кг (Виноградов, 1957). По сравнению с другими ТМ он наименее подвижен, причем степень подвижности элемента сильно снижается при известковании почв.  Подвижный Pb присутствует в виде комплексов с органическим веществом (60 – 80 % подвижного Pb). При высоких значениях рН свинец закрепляется в почве химически в виде гидроксида, фосфата, карбоната и Pb-органических комплексов (Цинк и кадмий…, 1992; Тяжелые …, 1997).