Mg - магний. Если ранее считалось, что основная физиологическая роль магния связана с его вхождением в молекулу хлорофилла, то в настоящее время элемент рассматривается как полифункциональный. Некоторые из функций магния близки функциям кальция и калия. Подобно кальцию, магний входит в состав запасного вещества - фитина, который используется в энергетическом обмене и как источник фосфорной кислоты. По аналогии с калием магний является кофактором многочисленных ферментов. Считается, что магний каким-то образом стабилизирует структуры рибосом (Ильин В.Б., 1985).
Mn - марганец. Одна из важнейших биохимических функций этого элемента - участие в окислительно-восстановительных реакциях в связи с его способностью легко менять валентность, обратимо переходить из Mn2+ в Mn7+.
В растениях марганец участвует в дыхательном процессе, азотном обмене, биосинтезе белка, образовании хлорофилла, синтезе нуклеиновых кислот и передаче наследственной информации. Марганец является одним из элементов, которые способствуют избирательному поглощению ионов из питательных растворов, устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды. В животных организмах марганец выполняет многие из тех функций, которые описаны выше, а также ряд специфических. Он необходим для нормальной секреции инсулина, воспроизводства, формирования скелета, работы центральной нервной системы и т.д. Марганец, как и другие металлы переходной группы периодической системы (Fe, Zn, Cu), активизирует ферменты, или входит в состав ферментов системы переноса электронов. По данным Диксона и Уэбба (Ильин В.Б., 1985; Кабата-Пендиас А., Пендиас Х., 1989), он является составной частью более 10 ферментов, которые катализируют различные метаболические процессы. В опытах на животных и растениях установлено, что марганец и железо взаимосвязаны в метаболических процессах, а соотношение Fe/Mn имеет важное физиологическое значение. Для нормального развития растений это должно быть в пределах 1,5 - 2,5 (Кабата-Пендиас А., Пендиас Х.,1989). Его сдвиг может вызвать сбой в нуклеиновом обмене, индуцированный дефицит железа.
Дефицит марганца - обычное явление для некоторых сельскохозяйственных культур, растущих на бедных этим элементом лёгких почвах, а также на почвах с нейтральной или щелочной реакцией среды и повышенным содержанием карбонатов. Избыток марганца также опасен для растений. Нарушения наступают при его концентрации в сухой массе фитомассе свыше 200 - 500 мг/кг и проявляются в виде бурых пятен на листьях. Кроме того, избыток марганца нарушает нормальное соотношение Fe/Mn, вызывает депрессию в нуклеиновом обмене. Токсичное действие марганца на растения обычно наблюдается на богатых им почвах с кислой реакцией среды (при pH 5,5 и ниже). Избыток марганца возможен и при высоком значении pH на плохо дренируемых почвах - солонцах, луговых и болотных. У животных дефицит марганца может возникать, когда его содержание в корме становится меньше 20, избыток - при концентрации более 1000 мг/кг сухого вещества.
Количество микроэлемента в рационе питания человека должно составлять не менее 2 - 3 и не более 10 мг/сут (Авцын П.А., Жаворонков А.А., 1991; Скальный А.В., 2004), в кормах животных - 1000 мг/кг сухого вещества. Избыточное поступление марганца в пищевую цепь в Росси регламентируется санитарно-гигиеническими нормативами по валовому содержанию в почвах (1500 - 3000 мг/кг) и концентрации в питьевых водах - 0,1 (0,5) мг/л (Ильин В.Б., 1991; СанПин 2.1.4.1074-01).
Pb - свинец. Интерес к элементу в биологии и медицине почти исключительно связан с его токсичностью для всего живого. Тем не менее, установлено, что в небольших количествах он необходим растительным и особенно животным организмам. Дефицит свинца в растениях возможен при его содержании в надземной части от 2 до 6 мкг/кг сухого вещества (Кальницкий Б.Д., 1985, Кабата-Пендиас А., Пендиас Х., 1989). Животные испытывают недостаток этого элемента при концентрации его в корме менее 0,05 - 0,5 мг/кг (Кальницкий Б.Д., 1985). В связи с техногенным загрязнением окружающей среды, где свинец рассматривается как приоритетный загрязнитель, накоплена информация о его токсическом действии на живые организмы. Избыток свинца в растениях ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. При свинцовом токсикозе у животных и человека в первую очередь поражаются органы кроветворения (анемия), нервная и сердечно - сосудистая системы, почки. Угнетается активность многих ферментов, нарушаются процессы метаболизма и биосинтеза. Поступление свинца в пищевую цепь в России регламентируется ОДК валового содержания в почвах (мг/кг): в песчаных и супесчаных - 32, в кислых суглинистых и глинистых - 65, в нейтральных суглинистых и глинистых - 130. С точки зрения ФАО/ВОЗ, верхний уровень поступления свинца в организм человека массой 60 кг не должен превышать 0,45 мг/сут; во многих странах Европы и Америки его ограничивают 0,1 - 0,2 мг. ПДК свинца в питьевой воде во многих странах мира примерно одинаковые и не превышают 0,03 - 0,05 мг/л (СанПин 2.1.4.1074-01).
Zn - цинк. Выполняет в живых организмах многие биохимические функции. Наиболее существенная из них - участие в составе разнообразных ферментов в метаболизме углеводов, белков и фосфатов. Общебиологическое значение этого элемента, указывающее на единстве всего живого (Авцын П.А., Жаворонков А.А., 1991), - участие в процессе размножения. У высших растений цинк накапливается, прежде всего, в семенах, где концентрируется в зародыше. Недостаток микроэлемента сильнее угнетает процесс формирования генеративных органов и плодоношение (образование семян), чем рост вегетативной массы. В случае критически низкого уровня обеспеченности растений цинком возможно полное отсутствие семян. Дефицит цинка у растений ведёт к нарушению углеводного, фосфорного и белкового обмена, ухудшению репродуктивной функции, снижению устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды (Захурул И.Мд., 1998).
У животных дефицит цинка ощущается при количестве в кормах менее 20 - 30 мг/кг сухого вещества, что приводит к ухудшению аппетита, задержке роста и полового созревания, бесплодию. Для животных избыточным в корме считается концентрация цинка более 500 мг/кг сухого вещества. При избыточном потреблении элемента снижается прирост живой массы, появляется депрессия в поведении, возможны аборты (Кальницкий Б.Д., 1985). В России содержание цинка в звеньях пищевой цепи ограничивают следующими санитарно-гигиеническими нормативами (мг/кг): ОДК в разновидностях почв песчаных и супесчаных - 65, в суглинистых и глинистых (кислых) - 110, в суглинистых и глинистых (нейтральных) - 220, ОДК обменной формы - 23, ПДК кислотнорастворимой формы - 60 (Ильин В.Б., 1991). ПДК цинка в питьевой воде во многих странах - 5 мг/л (СанПин 2.1.4.1074-01). Таким образом, в главе в краткой форме описано биологическое значение микроэлементов для живых организмов и показана их физиологическая роль в процессах обмена веществ у растений, животных и человека. О конкретных функциях микроэлементов известно далеко не всё, биологическое предназначение некоторых их них, например Cd, Pb, вообще только очерчивается. Важное значение для нормального функционирования живых организмов имеет не только присутствие микроэлементов в пищевой цепочке, но и их количественное соотношение, этот аспект пока изучен недостаточно.
1.2 Основные факторы формирования химического
(элементного) состава растений
В научной литературе рассматривается более 100 факторов, влияющих на поглощение химических элементов растениями и соответственно на их химический состав. Эти разнообразные факторы и влияния мы делим на две большие группы: внутренние - физиологические и внешние - экологические (Ковалевский А.Л., 1991).
Физиологические факторы включают в себя влияние на химический элементный состав таксонов (отделов, классов, семейств и т.д.), а также их морфологии и анатомии, стадий развития растений и их отдельных частей, взаимовлияние химических элементов, находящихся в органах и тканях растений.
Экологические факторы включают в себя внешние источники химических элементов и делятся на две группы. К первой группе относятся почвы, почвообразующие породы, минералы, руды, почвенные и подземные воды и газы, а также атмосферные твёрдые и жидкие частицы - аэрозоли, жидкие осадки, газы, газообразные вещества, т.е. все источники корневого и некорневого поступления химических элементов в растения. Вторая большая группа экологических факторов включает климатические и погодные: широтную - глобальную и высотную - локальную зональность, атмосферные осадки, влияние температуры воздуха и почвы, ветра, атмосферного электричества, электрических, в том числе грозовых, разрядов и т.п. Объектом интенсивных исследований в последние десятилетия является влияние человека и техногенеза на химический состав растений - антропогенные факторы. Они касаются в основном загрязнения внешней среды токсичными элементами и в меньшей степени физического воздействия человека на внешнюю среду при разработке месторождений полезных ископаемых, рекультивации земель и обработке почв в сельском хозяйстве. Малоизученной группой экологических факторов является взаимовлияние растений на химический состав, а также влияние животных на растения.
Зависимость химического состава растения от внешних экологических факторов несомненна. В то же время хорошо известно, что основной химический состав определённых видов и частей растения - содержание в них в первую очередь углерода и воды, составляющих 98 % их биомассы, является относительно стабильным в различных условиях их произрастания. В значительной степени это касается и других основных компонентов их химического состава - макроэлементов (N, P, K, Ca, Mg, S, Si). Стабильность макроэлементного состава обусловлена наличием у растений мощного физиологического фактора - антиконцентрационных физиолого-биохимических барьеров против избыточных концентраций химических элементов в питающей среде. Наибольший интерес представляют микроэлементы, содержание которых в растениях не стабилизировано физиологическими барьерами.
А. Л. Ковалевским (1991) установлены системы барьерного - безбарьерного накопления химических элементов различными видами, частями и тканями растений. Барьерное (неконцентрирующее) накопление - это наличие у растений механизмов, ограничивающих накопление в их тканях химических элементов, находящихся в питающейся среде в больших концентрациях. Безбарьерное (концентрирующее) накопление - неограниченное накопление элементов в живых тканях.
Барьерное накопление характерно для большинства высших растений и не характерно для мохообразных и лишайниковых. Причём различные виды растений имеют разные типы накопления.
В растениях отмечена резкая дифференциация различных анатомических частей по типам накопления химических элементов, находящихся во внешней среде в больших концентрациях. Корни обычно характеризуются безбарьерным, а надземные части - барьерным накоплением большинства металлов.
Тип накопления химических элементов, находящихся в больших концентрациях в питающей среде, зависит от фаз вегетации растений. Безбарьерное накопление ряда химических элементов характерно для фазы подростков, когда у растений нет дифференциации надземных частей на различные органы, и в заключительные фазы вегетации - после созревания и в период зимнего покоя, когда безбарьерное накопление может сопровождаться выделением избыточных количеств элементов в твёрдой фазе в виде биолитов - биогенных минералов в живых тканях растений.
На накопление химических элементов оказывают большое влияние климатические факторы. К таким факторам следует отнести влияние изменения интенсивности атмосферных осадков двух типов: кратковременных с циклом в несколько дней и длительных - от нескольких месяцев до нескольких десятков лет.
Наиболее хорошо изучены кратковременные изменения содержания некоторых элементов корневого питания растений, связанные с дождями, которыми в той или иной степени могут выщелачивать практически все химические элементы, находящиеся в листьях. (Ковалевский А.Л., 1991)
Итак, выше рассмотрены закономерности
формирования химического (элементного) состава растений от основных двух
факторов: экологических и физиологических. Степень изученности этих
разнообразных факторов в конкретных условиях произрастания растения, различна,
поэтому изучение этого вопроса перспективно.
.3 Источники поступления тяжёлых металлов в
экосистемы
Источники поступления тяжёлых металлов в экосистемы весьма разнообразны. Их можно объединить в две группы: природные и техногенные.
К природным источникам относят следующие: пыль, лесные пожары, вулканическую деятельность, эрозионные процессы, растительность, морские соли, сгорание метеоритов (Красницкий В.М., 2002; Ермохин Ю.И.,1998; Черных Н.А., 1999). Природные источники не могут оказать существенного влияния на загрязнение экосистем тяжёлыми металлами. Деятельность людей коренным образом изменяет естественные потоки химических элементов, поступающих в экосистемы (Ермохин Ю.И.,1998).
Основными техногенными источниками являются: добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива и нефтепродуктов, выбросы автотранспорта, производство и переработка сельскохозяйственной продукции (Ермохин Ю.И., 1998; Черных Н.А., 1999, Ильин Б.В., 2001).
Загрязнение экологических систем происходит за счёт поступления тяжёлых металлов из атмосферы, удобрений, пестицидов, твёрдых бытовых отходов и отходов промышленности, а также с осадками сточных вод.
В результате антропогенной эмиссии металлов их концентрации в промышленно развитых районах превышают фоновые в десятки раз (Черных Н.А., 1999). Атмосфере отводится существенная роль в массопереносах веществ, в том числе и тяжёлых и металлов, в глобальных (океан - атмосфера - континент) и локальных (почва - растение - атмосфера) системах.
Алексеев Ю.В. (1987) выделяет в процентном соотношении основные источники техногенного загрязнения атмосферы и расставляет их по степени наносимого вреда окружающей среде:
- тепловые или иные электростанции - 27%;
- предприятия чёрной металлургии - 24,3%;
- предприятия по добыче и переработке нефти - 15,5%;
- транспорт - 13,1%;
- предприятия цветной металлургии - 10,5%;
-предприятия по добыче и изготовлению строительных материалов - 8,1%.
Наиболее мощным источником атмосферного загрязнения являются предприятия топливно-энергетического комплекса, особенно работающие на угле (Мотузова Г.В., 2002). В тонне обогащенного угля содержится 100 - 500 г молибдена, 100 - 500 г свинца, 300 - 800 г циркония, 400 - 500 г ртути, и многие другие металлы (Просянников В.И., 1994).
Если подсчитать суммарный выброс в атмосферу одной ТЭС в сутки, то получится мощный техногенный поток, загрязняющий почву не только в районе действия предприятия, но и на расстоянии 1 - 2 км от источника (Просянников В.И., 1994).
Загрязнители не только оказывают влияние на почву, но и увеличивают содержание металлов в растениях (Потин С.Н.,1996).
Существенное влияние на загрязнение почв тяжёлыми металлами, поступающими из атмосферы, по мнению многих авторов, оказывают предприятия чёрной и цветной металлургии (Алексеев Ю.В.,1987; Ермохин Ю.И.,1998; Ильин В.Б.,2001; Аржанова В.С.,1980). На поверхность почвы в результате их деятельности выпадают осадки в виде техногенной пыли, в которой содержатся: свинец, кадмий, мышьяк, ртуть, хром, цинк и другие токсичные элементы.
Выбросы свинца в атмосферу резко увеличились в последнее время: при сжигании нефти и бензина в атмосферу поступает около 50% всего глобального выброса этого элемента (Черных Н.А., 1999). Глобальное годовое поступление кадмия в результате работы промышленных предприятий - 7600 т, тогда как из природных источников - в 8 раз меньше (960 т) (Pacyna J.M., 1992).
Все виды современного транспорта являются источниками загрязнения атмосферы (Ермохин Ю.И.,1998, Красницкий В.М., 2002, Ведина В.Т., 1994, Казюта Н.Р., 1988). Автотранспортное загрязнение - одно из наиболее опасных, оказывающих огромное влияние на придорожные экосистемы.
При сжигании одного литра этилированного бензина в воздух поступало и оседало на почву и растения 200 - 400 мг свинца, входящего в состав антидетонационной присадки (Черных Н.А., 1999). По данным (Ведина О.Т., 1994), при сжигании этилированного бензина ежегодно выбрасывается в атмосферу около 0,07 тыс. т цинка. Однако в основном этот элемент попадает в окружающую среду в результате износа резиновых автопокрышек - 2,2 тыс. т в год (Бутковский Р.О.,1990).
В России выбросы свинца в 1995 г. только автомобильным транспортом составили 4000 т, что в несколько раз больше прямых промышленных выбросов (Доклад о свинцовом загрязнении окружающей среды …, 1997).