Влияние тяжелых металлов на урожайность сельскохозяйственных культур

Просмотры: 178
07.06.2019

Всякий яд – лекарство, всякое лекарство – яд; всё зависит от дозы.
(Парацельс).




Хозяйственная деятельность человека зачастую способствует загрязнению окружающей среды. Особую опасность представляет загрязнение ее тяжелыми металлами, многие из которых являются чрезвычайно токсичными даже в минимальных количествах. Тяжелые металлы принципиально отличаются от органических веществ тем, что не подвергаются процессам разложения, а способны лишь перераспределяться между природными средами. Они способны концентрироваться в живых организмах, вызывая при этом различные патологии.

К тяжелым металлам относятся более 40 металлов с атомной массой свыше 50 атомных единиц. В соответствии с классификацией Н. Реймерса, тяжелыми металлами следует называть металлы с плотность более 8 г/см3: Cu, Zn, Ni, Pb, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg [Голубев И.Р., Новиков Ю.В. Окружающая среда и ее охрана/М.: «Просвещение». – 1985. – 192 с.]. Некоторые из них относятся к микроэлементам, т.е. химическим элементам, которые крайне важны для роста и развития растений и животных (Cu, Zn, Co). В растениях микроэлементы либо входят в состав ферментов, либо активируют их работу и необходимы в ничтожно малых количествах.

Увеличение или уменьшение концентрации микроэлементов в растворе сверх оптимальной приводит к угнетению или даже гибели организма. Отрицательное действие неоптимальных доз микроэлементов связано с нарушением деятельности ферментативного аппарата клеток, и, следовательно, обмена веществ в растениях.

Концентрация всех необходимых для жизни элементов в живом организме находится под строгим контролем комплекса физиологических процессов, называемого гомеостазом. Процесс поступления и выведения токсичных элементов контролируется организмом, при этом буферная емкость защитных систем организма ограничена.

Некоторые тяжелые металлы (As, Cd, Hg, Pb) не оказывают существенного влияния на рост растений, поскольку им не присуща какая-либо известная физиологическая функция в жизненном цикле растений, но такие металлы, как Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Zn являются жизненно важными элементами для растений. Избыток этих элементов может привести к существенному отравлению растения. Так, например, 1,5-2,5 кратное повышение подвижных форм тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb, Cd) в почве вызывает снижение количества и качества продукции сельскохозяйственных культур [Потапов М.А. Влияние тяжелых металлов на урожайность и качество сельскохозяйственной продукции в условиях лесных почв Чувашской Республики: дисс. На соискание научной степени канд. сельскохозяйственных наук: спец. 06.01.04 «Агрохимия»/Чебоксары. – 2005. – 155 с.]. Поглощение тяжелых металлов растениями и последующее накопление вдоль пищевой цепи представляет собой потенциальную угрозу для здоровья человека и животных.

Одним из основных путей поступления тяжелых металлов в растение является поглощение корнями растений различных химических соединений этих металлов (солей, гидроксидов, комплексов и т. п.) из почвы [Gaur N., Flora G., Yadav M., Tiwari A. A review with recent advancement on bioremediationbased abolition of heavy metals. Environ. Sci. Process. Impacts. 2014; 16:180-193/doi:10/109/C3EM00491K].

В 2006 году выборочно были исследованы на содержание промышленных токсикантов грунты 18 городов Украины. Высокие среднегодовые концентрации тяжелых металлов (свинца, кадмия, меди, цинка) в пределах 1,1-11,2 ПДК зафиксированы в грунтах городов Днепропетровск, Ялта, Константиновка и Мариуполь Донецкой области, Вишневое и Фастов Киевской области [Національна доповідь про стан техногенної та природної безпеки в Україні у 2006 році. – К.: ДП Агентство «Чорнобильінтерінформ». – 2007. – 236 с.].

Специфической особенностью загрязнения почвы тяжелыми металлами является очень низкая скорость самоочищения грунта. Что касается свинца, то его избыточное содержание в почве приводит к уменьшению количества и разнообразия почвенных микробиоценозов. В связи с этим возникает серьезная угроза массовой деградации украинских черноземов, сосредоточенных в областях с развитой промышленностью.

В Украине кроме черноземов имеются почвы других типов (серые лесные, дерново-подзолистые, песчаные и т. д.), в которых очищение от загрязнения тяжелыми металлами происходит еще медленнее, а кумуляция их, в связи с этим – быстрее. Поэтому даже небольшие количества тяжелых металлов в почвах могут привести к опасному загрязнению сельскохозяйственной продукции.

При попадании из почвы в растения через корневую систему тяжелые металлы могут перемещаться активно (метаболическим путем) или пассивно. В первом случае поглощение и перемещение ионов металлов осуществляется по системе, состоящей из протопластов клеток, связанных плазмодесмами. При пассивном транспорте ионы, достигнув поверхности корня, попадают в свободное пространство корня и далее с транспирационным током передвигаются по растению. С активным транспортом по растению передвигается часть металлов, которые выполняют некоторые биологические функции (медь, цинк, кобальт и др.), а также металлы, химически подобные необходимым элементам (кадмий является химическим аналогом цинка). Однако большая часть металлов, особенно те, которые не являются необходимыми для растений (свинец), перемещаются посредством диффузии. Вступая в контакт с клеточными стенками и рядом минеральных и органических соединений, содержащихся в клетках, металлы осаждаются и теряют биологическую активность. В то же время при загрязнении почвы большим количеством металлов некоторая их часть способна миновать защитные системы растения и оказать на него токсическое воздействие.

Результатом этого возможно проявление некоторых визуальных признаков токсичности. Основные признаки угнетения растений под влиянием токсикантов неспецифичны и проявляются в основном в снижении всхожести семян, замедленном росте, ненормальном развитии корневых систем, хлорозе, увядании, гибели растений. Однако в сельскохозяйственном производстве следует учитывать, что визуальные признаки токсичности начинают проявляться, когда концентрации токсичных элементов значительно превышают санитарно-гигиенические нормативы, установленные для продукции растениеводства. При этом содержание элементов в почве, при котором появляются признаки фитотоксичности, также значительно превышают ПДК.
Так, признаки ртутного отравления проявляются при концентрации элемента в почве 25-50 мг/кг (ПДК 2,1 мг/кг), кадмиевого - при 25-100 мг/кг (ОДК 0,5-2,0), свинцового - 250-2000 мг/кг (ОДК 32-130 мг/кг), мышьякового - при 25-50 мг/кг (ОДК 2-10 мг/кг). Поэтому визуальная диагностика загрязненности почвы и растений металлами не имеет смысла.

Все растительные (и животные) организмы нуждаются в постоянном пополнении микроэлементами. Однако последние должны вводится в живой организм в биологически активной форме, способной легко транспортироваться и усваиваться. В природе растения получают эти элементы в виде растворимых солей, присутствующих в почве. Однако это малоэффективно и значительно лучший результат можно достичь при использовании биологически активных комплексонов. Примером таких комплексонов может быть ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота) [Жаворонков Н.М. Комплексоны в решении Продовольственной программы СССР//ЖВХО имени Д.И. Менделеева – 1984. – Т.29. – Вып.3. – С.261-265.]. Однако, применение ЭДТА сопряжено с определенными рисками. Этот комплексон может сохраняться в почве без изменения в течение многих лет, продолжая поставлять в растения из почвы различные металлы (в том числе и тяжелые) образуя с ними хорошо растворимые комплексы. Тяжелые металлы, находящиеся в грунте в виде солей, обычно слабо усваиваются растениями. Образование же комплексов ЭДТА с тяжелыми металлами приводит к более интенсивному поглощению их растениями, что бывает крайне нежелательно.

Таким образом, применение ЭДТА (и подобных ему комплексонов) требует большой осторожности. Более эффективными могли бы быть комплексоны, которые подвергаются в почве биодеструкции и не накапливаются со временем. Это позволило бы исключить бесконтрольное извлечение из почвы тяжелых металлов растениями.


Юрий Самусенко







Самусенко Ю.В.,
кандидат химических наук



Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений