Влияние комплексов ЭДТА с тяжелыми металлами на почвенную биоту и урожайность сельскохозяйственных культур

Нельзя ждать милости от природы. Взять у нее – наша задача. 

Иван Мичурин

Нельзя ждать милости от природы после того, что мы с ней сделали. 

Виктор Конюхин

Почва – это сложное природное образование, состоящее из генетически связанных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоев литосферы. Необходимо знать, что почва не является неисчерпаемым ресурсом и, при использовании ненадлежащим способом, может утратить свои характеристики за очень короткий промежуток времени, иногда даже без возможности регенерации, поскольку она аккумулирует загрязнения в большей степени, чем атмосфера и природные воды [Nortcliff S. Standardisation of soil quality attributes. / Agriculture, Ecosystems and Environment – 2002 – P.161.]. Именно в кумулятивном эффекте состоит особая опасность загрязнения почв и особенно это касается тяжелых металлов (далее – ТМ). 

Главную роль в механизме самоочищения почв от загрязнений играют почвенные микроорганизмы, но они, как правило, могут бороться только с органическими загрязнителями, поскольку при формировании почвенного биоценоза природа «не учла» хозяйственную деятельность человека и те методы, которые он в ее процессе применяет.

 
Что касается металлов, важной особенностью является то, что они относятся к классу неспецифических веществ, то есть в отличие от специфических загрязнителей (пестицидов), чуждых геохимическому фону, металлы в определенных («фоновых») концентрациях присутствуют в различных компонентах экосистем. Повышение этих «норм» вызывает не только прямое токсичное воздействие, но и оказывает негативное влияние на воспроизводство и биопродуктивность почвенных микроорганизмов, то есть проявляется на уровне популяций и поколений. Еще одна особенность ТМ (в том числе микроэлементов) заключается в том, что при миграции они меняют лишь уровень содержания или формы нахождения и не включаются в процесс самоочищения.

Наличие микроэлементов в почве в усвояемой форме для растений – необходимое условие выращивания высоких урожаев культур. Поэтому применение микроудобрений приносит пользу, если количество этих удобрений не превышает норму и вносятся они в виде безвредных для экосистемы соединений. Но есть и исключения. Примером химических соединений, которые могут представлять потенциальную угрозу плодородию почв, являются комплексы ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты) с ТМ, которые используются в качестве микроудобрений. Эти вещества, попадая в растения, отщепляют атомы металла, а свободная ЭДТА как инородное для растений вещество не усваивается, а выводится наружу. Исследования ряда авторов показывают, что 70–80% ЭДТА попадает в окружающую среду. 

ЭДТА является чрезвычайно устойчивым соединением и считается одним из наиболее распространенных антропогенных загрязнителей. Ни химические вещества, имеющиеся в почве, ни микроорганизмы не приводят к его разрушению. Под воздействием УФ-облучения на поверхности воды может происходить разрушение комплекса Fe(III)-ЭДТА, но этот процесс сильно зависит от климатических условий, освещенности и не может рассматриваться в качестве существенного фактора разрушения ЭДТА в природе [Фарберова Е.А., Виноградова А.В., Шульц Е.В. Изучение влияния ЭДТА на рост и развитие культур микроорганизмов // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Химическая технология и биотехнология. – 2012. – вып. 14. – С. 169-177., Wolf K., Gilbert P.A. EDTA–Ethylenediaminetetraacetic acid // The Handbook of Environmental Chemistry / ed. O. Hutzinger. – Berlin, Heidelberg: Spriner Verlag, 1992. – P. 241-259.].

Попадая в почву, ЭДТА переводит в растворимое состояние те ТМ, которые входили в состав грунта в виде нерастворимых солей, оксидов и т. п. В итоге в растения начинает поступать избыточное количество тяжелых металлов, из которых многие не являются микроэлементами и проявляют токсичные свойства. Результатом такого действия комплексов на основе ЭДТА является: во-первых – накопление в растениях токсичных ТМ (Pb, Hg, Cd, и др.), что делает сельскохозяйственную продукцию непригодной для употребления. Во-вторых – часть таких растворимых в воде комплексов и свободной ЭДТА вымывается грунтовыми водами и попадает в водоемы, что крайне нежелательно, так как это приводит к ремобилизации ионов тяжелых металлов из почвы, ила и донных осадков и загрязнению ими грунтовых вод и питьевой воды [Фарберова Е.А., Виноградова А.В., Шульц Е.В. Изучение влияния ЭДТА на рост и развитие культур микроорганизмов // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Химическая технология и биотехнология. – 2012. – вып. 14. – С. 169-177.]. И, наконец, в-третьих – та часть комплексов ЭДТА с ТМ, которая осталась в почве, негативно влияет на почвенную биоту, которая в значительной мере обуславливает плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур.

В почве практически нет процесса, в котором бы не принимала активного участия биота. Всех живых обитателей почвы можно отнести к трём надцарствам (безъядерные – Acaryotae; предъядерные – Procaryotae; ядерные – Eucaryotae) и пяти царствам: вирусы, бактерии, грибы, растения и животные. Микроорганизмы осуществляют круговорот веществ в почве, влияя на минерализацию органических остатков и превращая нерастворимые формы в доступные для растений соединения. При этих процессах происходит активное выделение метаболитов – продуктов, участвующих в синтезе гумуса. Увеличение концентрации ТМ влияет на биологическую активность почвенных микроорганизмов, оказывая давление и изменяя разнообразие почвенной микрофлоры, которая представляет собой трофические группы микроорганизмов. Самую высокую чувствительность к загрязнению тяжелыми металлами проявляют олиготрофные бактерии [Сердюкова А.Ф., Барабанщиков Д.А. Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами // Молодой ученый. – 2017. – №51. – С.131-135.]. ТМ ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почвах, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект и могут выступать как мутагенный фактор. Под влиянием повышенных концентраций ТМ наблюдается резкое снижение активности ферментов: милазы, дегидрогеназы, уреазы, инвертазы, каталазы, а также численности отдельных агрономически ценных групп микроорганизмов. Все это, безусловно, негативно отразится на урожайности сельскохозяйственных культур.

Таким образом, использование комплексов ЭДТА с ТМ в виде микроудобрений является потенциально опасным для сельского хозяйства и экологической ситуации. Более предпочтительны комплексообразователи, которые разлагаются после выполнения своей функции в растении и не накапливаться в почве. 

Для того, чтобы сделать правильный выбор химического вещества, применяемого для той или иной цели в сельском хозяйстве, необходимо, чтобы агрономы имели хорошую подготовку. К сожалению, тенденция развития агрономического образования в Украине сейчас такова, что количество часов для изучения химии в сельскохозяйственных вузах сокращается, а в некоторых даже ликвидируют кафедры химии. Это приведет к тому, что агрономы будут осуществлять выбор необходимых химических препаратов, ориентируясь не на собственные знания, а на рекламную информацию. Последствия этого не трудно предсказать.

 
Юрий Самусенко, 

кандидат химических наук