Экологическая роль тяжелых металлов в формировании биоресурсного потенциала степных экосистем

Экологическая роль тяжелых металлов в формировании биоресурсного потенциала степных экосистем

И. В. Грошев, гл. специалист, к.биол.н, О. В. Григорьева, гл. специалист, Т.Н. Шахматова, специалист II категории, Комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов Оренбургской области

Роль химических элементов в формировании биоресурсного потенциала степи — это важный и далеко не изученный в экологии вопрос. Особое значение в настоящее время приобрели исследования экологической роли в функционировании биосферы химических элементов, входящих в группу тяжелых металлов. Низкие концентрации этих элементов (порядка п-10-2 — п-10-5%) представляют крайнюю необходимость для жизнедеятельности растительных и животных организмов, активно участвуя в биологических процессах в составе биокатализаторов и биорегуляторов [1],

высокие же — оказывают на растения различные токсические действия [2, 3].

К числу тяжелых металлов относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомными массами свыше 50 а.е.м.: хром (Сг), марганец (Мп), железо ^е), кобальт (Со), никель (N1), медь (Си), цинк ^п), галлий ^а), германий ^е), молибден (Мо), кадмий (Сё), олово (8п), сурьму (8Ь), теллур (Те), вольфрам (W), ртуть (И§), таллий (Т1), свинец (РЬ), висмут (Ві) [4]. В данной статье дается характеристика основным, наиболее изученным элементам — цинку, меди, кадмию, свинцу, никелю, хрому, марганцу и кобальту.

Цинк ^п) выполняет в живых организмах многие биохимические функции. Наиболее важная из них — участие в составе разнообразных фермен-

тов в метаболизме углеводов, белков и фосфатов. Общебиологическое значение цинка выражено его участием в процессе размножения. У высших растений цинк накапливается, прежде всего, в семенах, концентрируясь в зародыше. Недостаток этого элемента приводит к «торможению» процесса формирования генеративных органов и образования семян. Растения ощущают недостаток цинка при концентрации в молодых растениях менее 10—20 мг/кг сухого вещества [5], особенно страдают зерновые и бобовые культуры, травы, фруктовые деревья. Содержание цинка в травянистых экосистемах Оренбургской области колеблется в пределах 10,2—35,8 мг/кг сухого вещества. Большинство видов растений обладают высокой толерантностью (терпимостью) к избытку цинка. Симптомом цинкового токсикоза является хлороз молодых листьев.

Среднее содержание валовых форм цинка в почвах Оренбургской области составляет 40,57 мг/кг, при колебаниях от 18,82 до 70,00 мг/кг. Данные аналитических исследований свидетельствуют о достаточно высоких запасах валового цинка в степных почвах Оренбуржья. Эти значения не выходят за пределы пороговых концентраций, а укладываются в норму, равную 30—70 мг/кг [5]. Количество подвижного цинка составляет всего 0,16—0,58% от валовых запасов элемента. Причинами слабой подвижности цинка является избыток кальция в степных почвах, нейтральная и щелочная реакция среды. В таких условиях образуются нерастворимые цинкаты кальция, фосфаты и силикаты цинка. Среднее содержание подвижных форм цинка в гумусных горизонтах почв составляет 1,46 мг/кг, при колебаниях от 0,24 до 11,61 мг/кг.

Медь (^) участвует в процессах фотосинтеза, синтеза гемоглобина, дыхания, перераспределения углеводов, восстановления и фиксации азота. Столь разностороннее участие объясняется способностью Си, также как и Fe, Мп, Со, Мо, менять валентность. Медь, наряду с цинком, отвечает за процессы репродукции.

Нижними пороговыми концентрациями, при которых возможны нарушения нормальной жизнедеятельности растений, являются величины меньше 6—15 мг/кг сух. в-ва [6]. Содержание меди в естественной степной растительности области колеблется в пределах 3,0—14,3 мг/кг сух. в-ва и находится в нижнем пороговом диапазоне. Признаки дефицита меди — замедление и последующее прекращение формирования репродуктивных органов, появление щуплого зерна либо пустозернистых колосьев, снижение устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды — обычно проявляются на почвах с высоким содержанием карбонатов и органического вещества, со щелочной реакцией среды, что снижает подвижность этого микроэлемента.

Диапазон колебаний валового содержания меди в почвах Оренбургской области составляет 12,30—49,70 мг/кг (при среднем значении 20,91 мг/кг), что следует отнести к значительным запасам. В ряде территорий установлено повышенное и аномально высокое содержание меди в почвах, почвообразующих породах, водах. Эти аномалии природно-техногенного характера связаны с ру-допроявлением и последующими разработкой и добычей месторождений.

Кадмий (Cd) способен сравнительно легко поступать в растения из почвы через корневую систему, а также из атмосферы через листья. Основным фактором действия токсичных концентраций кадмия на растения считается нарушение активности ферментов. Кроме того, кадмий тормозит фотосинтез, нарушает транспирацию и фиксацию СО2, ингибирует биологическое восстановление М02 до N0. Фитотоксичность кадмия проявляется также в затруднении поступления и метаболизма в растениях ряда питательных элементов (2п, Си, Мп, N1, 8е, Са, М§, Р). Внешние симптомы токсикоза у растений — задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев.

Содержание валовых форм кадмия в почвах Оренбургской области варьирует в пределах 0,19— 2,05 мг/кг (при среднем значении — 0,49 мг/кг). Величины содержания кадмия в степных ценозах области невелики и составляют 0,01—0,09 мг/кг сух. в-ва. Опасность избыточного поступления кадмия в почвы, растения и организмы животных и человека существует в районах, подверженных интенсивному техногенному загрязнению. Кадмий и при низких концентрациях обладает токсичным действием для живых организмов, активизируя развитие злокачественных новообразований [7].

Свинец ^) в небольших количествах крайне необходим растениям. Дефицит свинца в растениях наблюдается при его содержании в надземной массе менее 2—6 мг/кг сух. в-ва, а концентрация свыше 10 мг/кг сух. в-ва является токсичной для большинства культурных растений [8].

Среднее содержание валовых форм свинца в почвах составляет 13,06 мг/кг, при колебаниях от 5,62 до 23,00 мг/кг. Симптомы токсичности в почвах возникают при содержании свинца 30 мг/кг, а у растений — при его валовом содержании в почве от 100 до 500 мг/кг. Интервал содержания свинца в растениях области достаточно широк и составляет 0,13—1,30 мг/кг, весь он находится в нижнем пороговом уровне.

Токсичное действие свинца на растения проявляется в ингибировании дыхания и подавления процесса фотосинтеза, что иногда приводит к увеличению содержания Сё и снижению поступления 2п, Са, Р и 8. Вследствие этого не только снижается урожайность растений, но и резко ухудшается качество производимой продукции. Внешние симптомы негативного воздействия

свинца — появление темно-зеленой окраски и скручивание листьев. Устойчивость растений к избытку свинца неодинакова: менее устойчивы злаковые, более устойчивы бобовые культуры.

По механизму биологического действия (№) сравним с железом и кобальтом. Будучи незаменимым компонентом уреазы, никель потребляется клубеньковыми бактериями бобовых растений и стимулирует процессы нитрификации и минерализации соединений азота. При избытке никеля подавляются процессы фотосинтеза и транспирации, появляются признаки хлороза.

Среднее содержание валовых форм никеля в степных почвах области составляет 38,65 мг/кг, при колебаниях от 11,40 до 75 мг/кг. Никель легко извлекается растениями из почвы. Содержание никеля в растительном покрове области составляет 0,46—2,12 мг/кг сух. в-ва. При избытке N1 подавляются процессы фотосинтеза и транспирации, появляются признаки хлороза.

Растения естественных ценозов в основном не испытывают недостатка хрома (О}. Поэтому не отмечены факты и внешние симптомы проявления его дефицита. Несмотря на естественное высокое валовое содержание Сг в почвах, концентрация растворимых его соединений очень мала, а накопление в растениях незначительно [8].

Однако большую опасность для растительных организмов представляет не дефицит, а избыток хрома в природной среде. Особенно опасна его шестивалентная форма — Сг6+. Внешние симптомы токсичности проявляются в снижении роста и развития растений, увядании надземной части и повреждении корневой системы, хлорозе молодых листьев. При избытке хрома в растениях резко снижается содержание большинства незаменимых макро- и микроэлементов (К, Р, Fe, Мп, Си, В).

Диапазон колебаний валовых форм хрома составляет ряд от 5,02 до 81,74 мг/кг (при среднем значении 34,18 мг/кг), что значительно ниже значений ПДК и Кларка. Содержание хрома в степной растительности Оренбургской области составляет 0,10—0,63 мг/кг сух. в-ва.

Физиологическая роль кобальта (^) в растениях заключается в положительном влиянии на рост растений и способность бобовых культур фиксировать молекулярный азот из воздуха, а дефицит кобальта подавляет образование гемоглобина и фиксацию азота. Определено, что кобальт входит в состав провитамина В12, образующегося в растениях и необходимого для животных и человека. Ввиду того, что кобальт необходим растениям в очень малых количествах, недостаток его обнаруживается крайне редко. Поэтому система диагностики дефицита этого микроэлемента разработана слабо. Факторами, способными вызвать дефицит, являются высокое содержание гумуса, карбонатность и выщелоченность почв.

Среднее содержание валовых форм кобальта в почвах области составляет 5,74 мг/кг, при колебаниях от 1,10 до 9,50 мг/кг, что значительно ниже значений санитарно-гигиенических показателей, и находится на уровне значений Кларка. Содержание кобальта в растениях естественных ценозов области составляет 0,11—0,24 мг/кг сух. в-ва.

Важнейшими биохимическими функциями марганца (Mn) являются: участие в окислительно-восстановительных процессах, азотном обмене, биосинтезе белка, образовании хлорофилла, синтезе нуклеиновых кислот и передаче наследственной информации. Марганец способствует избирательному поглощению ионов из питательных растворов. Этот элемент, как и другие металлы переходной группы периодической системы (Fe, Zn, Cu), активизирует ферменты или входит в состав ферментов системы переноса электронов.

Содержание валовых форм марганца колеблется в широких пределах — от 66,6 до 944,0 мг/кг (при среднем значении 421,93 мг/кг), что ниже значений ПДК и находится на уровне и ниже Кларка. Содержание марганца в растениях области составляет 27,50—75,00 мг/кг сух. в-ва. В растениях симптомы марганцевой недостаточности наступают при концентрации 20—30 мг/кг сух. в-ва. Они проявляются в первую очередь у молодых листьев в виде межжилкового хлороза. При дефиците марганца отмечаются ослабление роста и потеря клетками тургора.

В заключение необходимо отметить, что этот актуальный и перспективный для экологии вопрос изучается давно, но о физиологических функциях элементов данной группы известно далеко не все. Дальнейшие исследования в этой области должны быть направлены на изучение действия как малых, так и высоких концентраций тяжелых металлов, приводящих и в том и другом случае к уменьшению продуктивности биоресурсов и снижению устойчивости растений к неблагоприятным факторам природной среды.

Литература

1. Диксон, М. Ферменты / Диксон, М., Уэбб, Э. М.: Изд-во ин. лит., 1961. 728 с.

2. Ковда, В.А. Основы учения о почвах. Кн.2. М.: Наука, 1973. 468 с.

3. Ряховский, А.В. Агрономическая химия (в приложении к условиям степных районов Российской Федерации) / А.В. Ряховский, И.А. Батурин, А.П. Березнев, Оренбург: ИПК «Южный Урал», 2004. 283 с.

4. Assink, J.M. Contaminated soil. Dordrecht, 1986. 923 p.

5. Кабата Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата Пендиас, Х. Пендиас. М.: Мир, 1989. 439 с.

6. Ильин, В.Б. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области / В.Б. Ильин, А.И. Сы-со. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 229 с.

7. Ковальский, В.В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974. 281 с.

8. Боев, В.М. Химические канцерогены среды обитания и злокачественные новообразования / В.М. Боев, В.Ф. Кук-санов, В.В. Быстрых. М.: Медицина, 2002. 344 с.