Экология растений тяжёлые металлы

Следует также учитывать, что микроорганизмы играют большую  роль и в миграции ТМ в почве. В  процессе жизнедеятельности они  выступают в роли продуцентов, потребителей и транспортирующих агентов в почвенной экосистеме. Многие почвенные грибы проявляют способность к иммобилизации ТМ, закрепляя их в мицелии и временно исключая из круговорота. Кроме того, грибы, выделяя органические кислоты, нейтрализуют действие этих элементов, образуя с ними компоненты, менее токсичные и доступные для растений, чем свободные ионы (Пронина, 2000; Цеолиты, 2000).

Под влиянием повышенных концентраций ТМ наблюдается резкое снижение активности ферментов: амилазы, дегидрогеназы, уреазы, инвертазы, каталазы (Григорян, 1980; Паникова, Перцовская, 1982), а также численности  отдельных агрономически ценных групп микроорганизмов (Булавко, 1982; Babich, Stotzky, 1985). ТМ ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почвах (Наплекова, 1982; Евдокимова и др., 1984), подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект (Скворцова и др., 1980),  могут выступать как мутагенный фактор (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).  При избыточном содержании ТМ в почве снижается активность метаболических процессов, происходят морфологические трансформации в строении репродуктивных органов и другие изменения почвенной биоты. ТМ в значительной степени могут подавлять биохимическую активность и вызывать изменения общей численности почвенных микроорганизмов (Brookes, Mcgrant, 1984).

Загрязнение почв ТМ вызывает определенные изменения в видовом  составе комплекса почвенных  микроорганизмов. В качестве общей  закономерности отмечается значительное сокращение видового богатства и  разнообразия комплекса почвенных  микромицетов при загрязнении. В  микробном сообществе загрязненной почвы появляются необычные для  нормальных условий,  устойчивые к ТМ виды микромицетов (Кобзев, 1980; Лагаускас и др., 1981; Евдокимова и др., 1984). Толерантность микроорганизмов к загрязнению почвы зависит от их принадлежности к различным систематическим группам. Очень чувствительны к высоким концентрациям ТМ виды рода Bacillus, нитрифицирующие микроорганизмы, несколько более устойчивы – псевдомонады, стрептомицеты и многие виды целлюлозоразрушающих микроорганизмов, наиболее же устойчивы – грибы и актиномицеты (Наплекова, 1982; Цеолиты …, 2000).

При низких концентрациях  ТМ наблюдается некоторая стимуляция развития микробного сообщества, затем  по мере возрастания концентраций происходит частичное ингибирование и, наконец, полное его подавление. Достоверные  изменения видового состава фиксируются  при концентрациях ТМ в 50-300 раз  выше фоновых.

Степень угнетения жизнедеятельности  микробоценоза зависит также  от физиолого-биохимических свойств  конкретных металлов, загрязняющих почвы. Свинец отрицательно влияет на биотическую  деятельность в почве, ингибируя  активность ферментов уменьшением  интенсивности выделения двуокиси углерода и численности микроорганизмов, вызывает нарушения метаболизма  микроорганизмов, особенно процессов  дыхания и клеточного деления. Ионы кадмия в концентрации 12 мг/кг нарушают фиксацию атмосферного азота, а также  процессы аммонификации, нитрификации и денитрификации (Рэуце, Кырстя, 1986). Наиболее подвержены воздействию кадмия грибы, причем некоторые виды после попадания металла в почву полностью исчезают (Кадмий: экологические …, 1994). Избыток цинка в почвах затрудняет ферментацию разложения целлюлозы, дыхание микроорганизмов, действие уреазы и т. д., вследствие чего нарушаются процессы преобразования органического вещества в почвах. Кроме того, токсичное влияние ТМ зависит от набора металлов и их взаимного воздействия (антагонистического, синергичного или суммарного) на микробиоту.

Таким образом, под влиянием загрязнения почв ТМ происходят изменения  в комплексе почвенных микроорганизмов. Это выражается в снижении видового богатства и разнообразия и увеличения доли толерантных к загрязнению  микроорганизмов. От активности почвенных  процессов и жизнедеятельности  населяющих ее микроорганизмов зависит  интенсивность самоочищения почвы  от загрязнителей.

Уровень загрязнения почв ТМ влияет на показатели биохимической  активности почв, видовую структуру  и общую численность микробоценоза (Микроорганизмы …, 1989). В почвах, где содержание тяжелых металлов превышает фоновое в 2-5 и более раз, наиболее заметно изменяются отдельные показатели ферментативной активности, несколько возрастает суммарная биомасса амилолитического микробного сообщества, изменяются и другие микробиологические показатели. При дальнейшем увеличении содержания ТМ до одного порядка обнаруживается достоверное снижение отдельных показателей биохимической активности почвенных микроорганизмов (Григорян, 1980; Паникова, Перцовская, 1982). Происходит перераспределение доминирования в почве амилолитического микробного сообщества. В почве, содержащей ТМ в концентрациях на один-два порядка превышающих фоновые, достоверны изменения уже целой группы микробиологических показателей. Сокращается число видов почвенных микромицетов, и наиболее устойчивые виды начинают абсолютно доминировать. При превышении содержания ТМ в почве над фоном на три порядка наблюдаются резкие изменения практически всех микробиологических показателей. При указанных концентрациях ТМ в почвах происходит ингибирование и гибель нормальной для незагрязненной почвы микробиоты. В то же время активно развивается и даже абсолютно доминирует очень ограниченное число микроорганизмов, резистентных к ТМ, преимущественно микромицетов. Наконец, при концентрациях ТМ в почвах, превышающих фоновые на четыре и более порядков, обнаруживается катастрофическое снижение микробиологической активности почв, граничащее с полной гибелью микроорганизмов.  

1.4. Тяжелые металлы  в растениях

Растительная пища является основным источником поступления ТМ в организм человека и животных. По разным данным (Панин, 2000; Ильин, Сысо, 2001), с ней поступает от 40 до 80 % ТМ, и только 20-40 % - с воздухом и водой. Поэтому от уровня накопления металлов в растениях, используемых в пищу, в значительной степени зависит здоровье населения.

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление ТМ растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами  ТМ, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью  почв. Однако, способность почв связывать  и инактивировать ТМ имеет свои пределы, и когда они уже не справляются  с поступающим потоком металлов,  важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению.

Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться  по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступление  путем максимального использования  своих барьерных функций. Для  большинства растений первым барьерным  уровнем являются корни, где задерживается  наибольшее количество ТМ, следующий  – стебли и листья, и, наконец, последний  – органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции (чаще всего семена и плоды, а также  корне- и клубнеплоды и др.). (Гармаш Г.А. 1982; Ильин, Степанова, 1982; Гармаш Н.Ю., 1986; Алексеев, 1987; Тяжелые…, 1987; Горюнова, 1995; Орлов и др, 1991 и др.; Ильин, Сысо, 2001). Уровень накопления ТМ разными растениями в зависимости от их генетических и видовых особенностей при одинаковом содержании ТМ в почвах наглядно иллюстрируется данными, представленными в таблице 1.5. 

Таблица 1.5

Содержание свинца и цинка  в огородных культурах, выращенных на

техногенно загрязненной почве, мг/кг сырой массы (приусадебный участок,

г. Белово Кемеровской обл.) (Ильин, Сысо, 2001)

Примечание: валовое содержание в почве Zn равно 7130, Рb - 434 мг/кг 

Однако не всегда эти закономерности повторяются, что, вероятно, связано  с условиями произрастания растений и их генетической спецификой. Отмечаются случаи, когда разные сорта одной культуры, произрастающие на одинаково загрязненной почве содержали различное количество ТМ. Данный факт, по-видимому, обусловлен присущим всем живым организмам внутривидовым полиморфизмом, способным проявить себя и при техногенном загрязнении природной среды. Это свойство у растений может стать основой генетико-селекционных исследований с целью создания сортов с повышенными защитными возможностями по отношению к избыточным концентрациям ТМ (Ильин, Сысо,  2001).

Несмотря на существенную изменчивость различных растений к  накоплению ТМ, биоаккумуляция элементов  имеет определенную тенденцию, позволяющую  упорядочить их в несколько групп: 1) Cd, Cs, Rb – элементы интенсивного поглощения; 2) Zn, Mo, Cu, Pb, As, Co – средней степени поглощения; 3) Mn, Ni, Cr – слабого поглощения и 4) Se, Fe, Ba, Te – элементы, труднодоступные растениям (Тяжелые …, 1987;  Кадмий …, 1994; Пронина, 2000).

Другой путь поступления  ТМ в растения – некорневое поглощение из воздушных потоков. Оно имеет  место при значительном выпадении  металлов из атмосферы на листовой аппарат, чаще всего вблизи крупных  промышленных предприятий. Поступление  элементов в растения через листья (или фолиарное поглощение) происходит, главным образом, путем неметаболического  проникновения через кутикулу. ТМ, поглощенные листьями, могут переносится  в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ. Не представляют опасности для человека  металлы, осаждающиеся с пылевыми выбросами на листьях и стеблях, если перед употреблением в пищу растения тщательно промываются. Однако животные, поедающие такую растительность, могут получить большое количество ТМ.

По мере роста растений элементы перераспределяются по их органам. При этом для меди и цинка устанавливается  следующая закономерность в их содержанию: корни > зерно > солома. Для свинца, кадмия и стронция она имеет другой вид: корни > солома > зерно (Тяжелые…, 1997). Известно, что наряду с видовой специфичностью растений в отношении накопления ТМ существуют и определенные общие закономерности. Например, наиболее высокое содержание ТМ обнаружено в листовых овощах и силосных культурах, а наименьшее – в бобовых, злаковых и технических культурах. 

Таким образом, рассмотренный  материал свидетельствует об огромном вкладе в загрязнение почв и растений ТМ со стороны крупных городов. Поэтому  проблема ТМ стала одной из «острых» проблем современного естествознания. Ранее проведенное геохимическое  обследование почв г. Улан-Удэ (Белоголовов, 1989) позволяет оценить общий уровень загрязненности 0-5 см слоя почвенного покрова широким спектром химических элементов. Однако остаются практически неизученными почвы садово-дачных кооперативов, приусадебных участков и других земель, где населением выращиваются продовольственные растения, т.е. тех территорий, загрязнение которых может непосредственно затрагивать здоровье населения г. Улан-Удэ. Совершенно нет данных по содержанию подвижных форм ТМ. Поэтому в своих исследованиях мы попытались более детально остановиться на изучении современного состояния загрязненности садово-огородных почв г. Улан-Удэ ТМ, их наиболее опасными для биоты подвижными формами и особенностях распределения и поведения металлов  в почвенном покрове и профиле основных типов почв г. Улан-Удэ.