CC BY
65
ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ИЗУЧЕНИЮ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ПОЧВА - АГРОФИТ ПРИ ВЛИЯНИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ПРОЦЕССЫ В АГРОЦЕНОЗЕ
© Высоцкая Е.А.*
Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж
В статье проводится теоретический обзор научно-практической литературы отечественных и зарубежных авторов по проблеме загрязнения почвенного компонента агроценозов тяжелыми металлами, а также их влияния на биохимические процессы агрофитов. Автором рассматривается источники поступления и токсикологическое влияние на биологическую продуктивность системы почва - агрофит таких элементов, как кадмий, свинец, стронций, никель и других.
Тяжелые металлы в системе почва - агрофит можно оценивать двояко. С одной стороны, биофильные формы тяжелых металлов входят в состав ферментов, участвующих в гуморальной регуляции нормальных физиологических процессов растения, с другой стороны, при их переизбытке, может быть нарушено нормальное развитие растения либо снижена его продуктивность.
Балацкий О.Ф., Мельник Л.Г. и Яковлев А.Ф. (1984) выделили несколько видов загрязнения: механическое, химическое, физическое, радиационное и биологическое. Под химическим загрязнением они понимают привнесенное в среду нахождение в ней различных химических агентов, отклоняющееся от фонового. Ковда В.А. (1985) под загрязнением понимает аналогичное изменение свойств окружающей среды, приводящее к ухудшению функций среды по отношению к человеческому обществу.
К загрязняющим веществам относятся, в том числе и тяжелые металлы, способные передвигаться по трофическим цепям и накапливаться в организме человека и животных, вызывая тяжелые заболевания [22, 26, 23, 29].
Основная масса техногенно-рассеянных тяжелых металлов очень быстро поступает на поверхность почвы. Значительная их часть включается в почвообразовательный процесс, некоторое количество поглощается растительностью и выносится с поверхностным и грунтовым стоком. В результате образуются техногенные геохимические аномалии, характеризующиеся быстрым убыванием концентрации металлов от источника загрязнения к периферии. Особую научную значимость приобретает разработка научно обоснованных программ проведения широкомасштабных рекультивацион-
* Доцент кафедры Безопасности жизнедеятельности и медицинских знаний, кандидат географических наук, доцент.
ных работ на загрязненных сельскохозяйственных территориях, сочетающих различные способы и средства мелиорации, выбор которых основан на результатах специальных исследованиях поведения тяжелых металлов в системе почва - мелиорант - растение [5].
Микроэлементы, поступающие из различных источников, попадают в конечном итоге на поверхность почвы, и их дальнейшая судьба зависит от ее химических и физических свойств. Хотя химия веществ, загрязняющих почву, была в последние время предметом большого числа исследований, наше знание о поведении микроэлементов-загрязнителей еще недостаточно. Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почвах гораздо больше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почв, особенно тяжелыми металлами, по-видимому, практически вечно. Металлы, накапливающиеся в почвах, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции [13].
В настоящее время установлено, что избыток тяжелых металлов в почве оказывает неблагоприятное воздействие на почвенные микроорганизмы, тормозят процессы минерализации органического вещества, аммонификации и нитрификации [18].
Действие тяжелых металлов зависит от физико-химических свойств металла, его содержания в почве, формы химических соединений [14, 20].
Самохваловой С.Г. (1977) установлены синергические и антагонистические взаимодействия тяжелых металлов, и их значения в формировании фитотоксичности загрязнения. Она выявила, что поглощение отдельных металлов почвами из полиэлементного раствора происходит с неодинаковой интенсивностью. Основная причина этого явления - различия в способности катионов металлов к комплексообразованию, специфической адсорбции и образованию нерастворимых солей.
Почвы содержат неодинаковое количество элементов: нормальное, избыточное и недостаточное. Это зависит от состава материнских пород, растительности, степени окультуренности почв и поступления микроэлементов извне в виде различных органических и минеральных удобрений и осадков [25].
СИпорека А. и др. (1996) отмечают, что тяжелые металлы из антропогенных источников потенциально более подвижны, чем тяжелые металлы геологического происхождения.
Наличие разнообразных путей поступления тяжелых металлов в растения предполагает существование двух ведущих факторов формирования элементного химического состава растений: генетического и экологического. Долевое участие каждого меняется в зависимости от изменений условий среды. При соответствии геохимической обстановки фитоценозов трофическим требованиям растений их элементный состав в основном отражает работу генетического контроля. В таких условиях выдерживается избирательное и характерное для данного вида поглощение ионов металлов раститель-
ными тканями. Экологический фактор препятствует этому в тех случаях, когда среда обитания обогащена подвижными формами тяжелых металлов [11, 12].
Работы многих исследователей свидетельствуют, что между химическим составом растений и элементным составом среды существует несомненная связь, а основная масса химических элементов поступает в растение из почвы [8, 2, 11, 12, 13, 18].
Обобщение результатов опытов с удобрениями, проведенных Географической сетью, показало, что в целом имеется достаточно тесная связь между содержанием подвижных форм тяжелых металлов в почвах и накоплением их в растениях. Это свидетельствует о необходимости систематического мониторинга тяжелых металлов в растениях при использовании повышенных доз удобрений [22].
Тяжелые металлы претерпевают в почве химические превращения, в ходе которых их токсичность изменяется в широких пределах. Физико-химические свойства тяжелых металлов обусловливают их большее или меньшее воздействие на агрофиты агроценозов.
Свинец. Подвижность РЬ сильно снижается при известковании почв. При высоких значениях рН РЬ закрепляется в почве химически в виде гидроксида. фосфата, карбоната и РЬ-органических комплексов. Сорбция свинца на монтмориллоните представляет собой катионообменный процесс, а на каолините адсорбция носит характер конкуренции.
Как правило, наибольшие концентрации РЬ обнаруживаются в верхнем слое почвы [13].
Свинец также относится к группе фитотоксикантов, но очень низкие концентрации могут замедлять жизненные процессы в растении. Избыток свинца особенно опасен в начальный период развития растения. Повышение концентрации свинца вызывает ингибирование дыхания и фотосинтеза, что связано с нарушением реакции переноса электронов. Свинец снижает эластичность и пластичность стенок клеток, что ведет к возрастанию твердости тканей. Избыток свинца в растении определяется по скручиванию старых листьев, чахлой и темно-зеленой листве, бурым коротким корням [13].
Медь. Нужна сельскохозяйственным культурам, в частности сахарной свекле как компонент окислительных ферментов, она участвует в процессе дыхания и фотосинтеза, в азотном обмене и в синтезе белка. Повышение содержания меди в почве вызывает медьиндуцированный хлороз и поражение корневой системы [13].
Цинк. В почвах наиболее подвижен ион 2п2, но могут присутствовать и другие ионные формы. При низких значениях рН (< 6) подвижность 2п2+ возрастает, что приводит к его выщелачиванию в водной среде. При возрастании концентрации органических веществ в почве повышается ее рН, что влияет на связывание цинка и переход его в органические комплексы.
Стронций. Соединения стронция отличаются большей, чем у кальция, подвижностью и поэтому он, особенно на кислых почвах, вымывается вниз по профилю с инфильтрационными водами. Распределение Sr в почвенном профиле связано с тенденциями циркуляции почвенных вод [13].
Кадмий. Подвижность кадмия в почве определяется уровнем реакции среды в почве и окислительно-восстановительным потенциалом. Адсорбция кадмия глинами имеет существенное значение в кислом диапазоне рН. При рН выше 7,5 сорбированный почвой Cd перестает быть легко подвижным. В любой почве активность Cd определяется величиной рН. Концентрации, превышающие 100-200 мкг/л, свидетельствуют об антропогенном загрязнении почвы. В условиях промывного режима увлажнения имеет место миграция кадмия с инфильтрационными водами в нижние горизонты почвы, хотя наибольшее содержание этого металла характерно для верхнего пахотного слоя почв. В некоторых случаях в условиях сильного антропогенного загрязнения содержание кадмия в почвенном слое на глубине 80-100 см достигают 2-3 мг/кг [13].
Скорость поступления кадмия в растения находится в отрицательной зависимости с концентрацией кальция в почвенных растворах. В интервале рН 4-7,5 сорбционная емкость почв возрастает в среднем в 3 раза при увеличении рН на единицу.
Кадмий по-разному закрепляется в почвах разного типа. По результатам исследований, прочность связи кадмия с твердой фазой почв возрастала в ряду: дерново-подзолистая неокультуренная, дерново-подзолистая окультуренная, чернозем типичный [6].
Избыток кадмия вызывает нарушение энзиматичекой активности, подавляет образование антоциана и хлорофилловых пигментов. При этом тормозится фотосинтез, нарушается транспирация и фиксация С02, изменяется проницаемость клеточных мембран. Кадмий препятствует симбиозу растений и микроорганизмов, повышает предрасположенность растений к грибковым инвазиям, ингибирует реакции биологического восстановления Ш2~ до Ш3~ [13].
Избыток кадмия в растительном организме проявляется в побурении краев листьев, проявлении хлороза, красных жилок и черенков, скручивания листьев, в побурении и недоразвитии корней.
Никель. В верхних горизонтах почв никель присутствует в связанных с органическим веществом формах, часть которых находится в виде легкорастворимых хелатов. Однако наиболее доступны растениям окислы железа и марганца, а вместе с ними и №.
Распределение № в почвенном профиле определяется содержанием органического вещества, аморфных оксидов и количеством глинистой фракции [13].
Никель оказывает неспецифическое действие на ряд металло-фермент-ных комплексов, влияет на активность окислительно-восстановительных фер-
ментов [27]. Он стабилизирует структуру рибосом. Избыток никеля вызывает некроз листьев. Этот элемент активирует аргиназу, пептидазы, ингибирует кислую фосфатазу, снижает активность каталазы в репродуктивных органах.
Молибден. Молибден адсорбируется в поверхностных отложениях водными оксидами железа, алюминия и марганца и осаждается в коллоидной фракции. С течением времени выпавший осадок Мо становится менее растворимым. На увлажненных щелочных почвах Мо более доступен для растений, так как ион МоО42 очень активен в щелочной среде. В кислых почвах (рН < 5.5) Мо становится труднорастворимым. Слабо поглощается растениями [13].
Хром. В почве & формирует комплексные ионы. В почвах большая часть хрома присутствует в виде Сг3, который образует оксиды с ионом железа.
Мышьяк. Соединения мышьяка (арсениты) легкорастворимы, но из-за его интенсивной сорбции (глинистыми частицами, гидроксидами и органическим веществом) миграция As невелика. Легко фиксируется в почвах глинистыми частицами, фосфатными гелями, гумусом и кальцием.
Марганец. Концентрация ионов Мп зависит от равновесия окислительновосстановительной системы почвы и реакции среды. Ион Мп вступает в почвенных условиях в конкуренцию с другими катионами, что ведет к выщелачиванию Са, Mg и некоторых других элементов. Содержание марганца в почвенном растворе изменяется от 25 до 2200 мкг/л. Для растворов нейтральных и кислых почв эти значения колеблются в пределах 1-100 мкмоль/л. С увеличением кислотности в хорошо дренируемых почвах растворимость Мп возрастает [13].
Ртуть. Ртуть задерживается почвой и находится в ней в форме слабо подвижных органических комплексов. Сорбция ртути глинами в почве ограничена и слабо зависит от рН. Сорбция всех соединений ртути положительно коррелирует с содержанием органического вещества в почве и в меньшей степени с катионно-обменной емкостью почв.
При рассмотрении тяжелых металлов в системе почва - агрофит необходимо учитывать фактор проточности. Как отмечается в трудах Ю.И. Житина (1998), максимальный вынос тяжелых металлов отмечен для свеклы. По данным этих авторов, отчуждение урожая этой культуры способствует значительному очищению экосистемы от загрязнения. Основное отчуждение свинца сахарной свеклой идет за счет листьев и только 10 % отчуждается с корнеплодами. Вынос никеля листьями свеклы, по мнению этих же авторов, приблизительно на 30-40 % выше, чем корнеплодами. Концентрация никеля и свинца в листьях сахарной свеклы в 3-5 раз выше, чем содержание этих элементов в корнеплодах. Несмотря на вышесказанное, поведение в почве каждого элемента имеет свои конкретные, присущие ему закономерности [10].
Загрязнение верхних горизонтов почв цинком, медью, свинцом, кадмием и мышьяком может быть обусловлено не только наличием вышеуказан-
ных факторов, но и атмосферным переносом аэрозолей, содержащих тяжелые металлы, из неблагополучных в этом отношении районов. В осадках, выпадающих на поверхность почвы, могут содержаться свинец, кадмий, мышьяк, ртуть, хром, никель, цинк и другие элементы.
Заметное загрязнение атмосферного воздуха и почвы происходит за счет транспорта, и прежде всего автомобильного. Он выбрасывает Mn, 2п, Sn, ^ Pb, Cd, ^, №, Sr - это легко растворимые загрязнения [4].
К факторам, загрязняющим окружающую среду, часто относят химизацию земледелия, в первую очередь применение минеральных, а также известковых и органических удобрений.
Среди источников возможного техногенного загрязнения почв сельскохозяйственных угодий и растений в составе агроценозов, в научной и особенно популярной литературе называются минеральные и известковые удобрения [1, 7, 9].
Тяжелые металлы в минеральных удобрениях являются естественными примесями, содержащимися в агрорудах. Поэтому количество их в минеральных удобрениях зависит от исходного сырья и технологии его переработки. Наиболее существенными как по набору, так и по концентрациям примесей, тяжелых металлов являются фосфорные удобрения, а также удобрения, получаемые с использованием экстракционной ортофосфорной кислоты (аммофо-сы, аммофоски, нестрафосы, нестрафоски, двойные суперфосфаты). В простом суперфосфате содержится хром (60-243 мг/кг), кобальт (90 мг/кг), медь (4-79 мг/кг), свинец (7-92 мг/кг), никель (732 мг/кг), ванадий (70-180 мг/кг), цинк (150-1430 мг/кг). Определенный интерес загрязнения почв радием представляют удобрения, содержащие фосфор, для производства которых были использованы фосфаты, богатые ураном после извлечения этого элемента из фосфатной породы для нужд ядерной промышленности. Особого внимания заслуживает поступления в почву стабильного стронция в составе простого суперфосфата. Среднее его содержание в хибинском апатите 20 %. Стронций является химическим аналогом кальция, поэтому освободиться от него при производстве удобрений сравнительно трудно. Апатит, используемый для производства фосфорных удобрений, кроме стронция, может содержать в виде примесей редкоземельные элементы лантаниды [4].
Пестициды представлены различными химическими соединениями, преимущественно органическими, некоторые из них являются органоминеральными или чисто минеральными веществами. Отдельные пестициды содержат в своем составе тяжелые металлы, такие как кадмий, ртуть, цинк, медь, железо. Из фунгицидов, содержащих наиболее токсичный металл, следует назвать гранозан, применяемый для протравливания семян. Химическая формула гранозана C2H5MgCl. Из нее видно, что 75,6 % массы этого соединения представлено ртутью.
К ртутьорганическим соединениям относятся меркурбензол и меруклгек-сан. В связи с тем, что ртутьсодержащие препараты в настоящее время не
используются в сельском хозяйстве, загрязнение растений ртутью в результате поглощения ее из почвы перестало быть проблемой. Однако широкое применение в прошлом ртутьсодержащих препаратов на плантации плодовых культур привело к существенному загрязнению почв. Расход пестицидов при проведении защитных мероприятий небольшой, поэтому они не представляют серьезной опасности как источник загрязнения почв тяжелыми металлами, особенно такими, как цинк и железо. Фунгициды могут содержать медь и цинк. Постоянное применение препаратов, содержащих медь, часто приводит к накоплению ее в почвах в токсичных для растений концентрациях, что способствует ухудшению роста растений и вызывает хлороз [4].
Наибольшую опасность представляют подвижные формы тяжелых металлов, т.е. наиболее доступные для живых организмов.
Свинец, ртуть, кадмий, мышьяк и цинк считаются основными загрязнителями потому, что техногенное их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Данные элементы обладают большим сходством с физиологически важными органическими соединениями и способны подавлять наиболее значимые процессы метаболизма, тормозят рост и развитие. В сельскохозяйственном производстве это приводит к снижению продуктивности и ухудшению качества продукции. Поступая в растения, тяжелые металлы распределяются в их органах и тканях неравномерно. Таким образом, изучение особенностей аккумуляции тяжелых металлов в растениях может помочь ограничить их поступление в организм человека.
По данным зарубежных ученых, повышенной способностью поглощать кадмий из почвы обладают листовые овощи, свекла и морковь [11].
Тяжелые металлы содержатся в свекловичных агроценозах как естественные элементы, а также привносятся в них с минеральными удобрениями.
В приемлемых концентрациях они используются растениями как микроэлементы, однако при повышении концентраций проявляют по отношению к растению токсические свойства. Анализ литературных источников показал, что в минеральных удобрениях содержатся такие тяжелые металлы, как цинк, кадмий, марганец, железа, кобальт, медь и др.
Список литературы:
1. Агроэкология: учеб. для вузов по агроном. специальностям / Ю.В. Алексеев. - Л.: Агропромиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - С. 56-99.
2. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю.В. Алексеев. - М.: Агропромиздат, 1987. - С. 2-36.
3. Балацкий О.Ф. Экология и качество окружающей природной среды / О.Ф. Балацкий, Л.Г. Мельник, А.Ф. Яковлев. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. -С. 31.
4. Безуглов В.Г. Применение гербицидов в интенсивном земледелии /
В.Г. Безуглов. - М.: Росагропромиздат, 1988. - С. 14-52.
5. Галиулин Р.В. Инвентаризация и рекультивация почвенного покрова агроландшафтов, загрязненного различными химическими веществами. Тяжелые металлы / Р.В. Галиулин // Агрохимия. - 1994. - № 7-8. - С. 132-143.
6. Гулимова Н.В. Методы агроклиматической обработки наблюдений / Н.В. Гулимова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 152 а
7. Джувеликян Х.А. Экология, город, человек / Х.А. Джувеликян. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1996. - 104 с.
8. Добровольский В.В. Биосферные циклы тяжелых металлов и регуляторная роль почв / В.В. Добровольский // Почвоведение. - 1997. - № 4. -С. 431-441.
9. Евдокимова Г.А. Накопление нитратов в почвах с повышенным содержанием тяжелых металлов / Г.А. Евдокимова // Почвоведение. -1993. -№ 8. - С. 18.
10. Житин Ю.И. Сертификация почв - базис производства экологически чистой продукции / Ю.И. Житин, В.Н. Романюк // Научные основы и пути рационального использования химических средств в современном земледелии. - Воронеж: ВГАУ, 1998. - 162 а
11. Ильин В.Б. Влияние тяжелых металлов на рост, развитие и урожайность с.-х. культур / В.Б. Ильин, Г. А. Гармаш, Н.Ю. Гармаш // Агрохимия. -1985. - № 6. - С. 90-100.
12. Ильин В.Б. Загрязнение тяжелыми металлами огородных почв и культур в городах Кузбасса / В.Б. Ильин // Агрохимия. - 1991. - № 7. - С. 67-69.
13. Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Каба-та-Пендиас, X. Пендиас. - М.: Мир, 1989. - С. 166-180.
14. Каракис К.Д. Механизмы поступления некоторых тяжелых металлов в растения / К.Д. Каракис, Э.В. Рудакова // Микроэлементы в обмене веществ и продуктивности растений. - К.: Наукова думка, 1984. - С. 43-87.
15. Каштанова Е.Н. Эффективность повышенных доз минеральных удобрений / Е.Н. Каштанова // Труды Всерос. ордена Трудового Красного Знамени науч.-исслед. ин-та сахарной свеклы и сахара им. А.Л. Мазлумова. Т. 4. -Воронеж, 1973. - 165 а
16. Климкина Е.В. Влияние уровней загрязнения чернозема выщелоч-ного тяжелыми металлами на продуктивность зернопропашного севооборота: дисс. ... канд. с.-х. наук / Е.В. Климкина. - Воронеж: ВГАУ, 2005. - 180 с.
17. Кореньков Д.А. Минеральные удобрения при интенсивных технологиях / Д.А. Кореньков. - М.: Росагропромиздат, 1990. - С. 56-87.
18. Ковальский В.В. Методы определения микроэлементов в органах и тканях животных, растениях и почвах / В.В. Ковальский, А.Д. Гололобов. -М.: Колос, 1969. - С. 11-32.
19. Ковда В.А. Микроэлементы в почвах Советского Союза / В. А. Ковда, И.В. Якушевская, А.И. Тюрюканов. - М.: Наука, 1985. - С. 5-34.
20. Крупский Н.К. К вопросу об определении подвижных форм микроэлементов / Н.К. Крупский, А.М. Александрова // Микроэлементы в жизни растений, животных и человека. - К.: Наукова думка, 1964. - С. 11-34.
21. Кузнецов А.В. Контроль техногенного загрязнения почв и растений / А.В. Кузнецов // Агрохим. вестник, 1997. - № 5. - С. 7-9.
22. Ладонин В.Ф. Влияние комплексного применения средств химизации на содержание тяжелых металлов в почвах и растениях / В.Ф. Ладонин // Химия в сельском хозяйстве. - 1995. - № 4. - С. 18.
23. Николаева Л.Ф. Изменение содержания тяжелых металлов в соцветиях клевера лугового под воздействием автодорожных факторов / Л.Ф. Николаева [и др.] // Экология малого города. - Пущино: Изд-во МГУ, 1987. -
С. 130-144.
24. Потатунова Ю.А. Влияние кадмия на урожай сельскохозяйственных культур и накопление этого элемента в почвах и растениях / Ю.А. Потатунова, Н.В. Русанов // Агрохимия. - 1998. - № 3. - С. 53-61.
25. Самохвалов С.Г. Методические указания по атомно-абсорбционному определению микроэлементов в вытяжках из почв и в растворах золы кормов и растений / С.Г. Самохвалов, Н.А. Чеботарева. - М.: ЦИНАО, 1977. -34 с.
26. Соловьев Г.А. Влияние минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в растениях / Г.А. Соловьев, В.М. Голубев // Агрохимия. -1981. - № 11.
27. Школьник М.Я. Микроэлементы в жизни растений / М.Я. Школьник. - Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1974.
28. Clinopeca A. Forms of cadmium, lead and zinc in contaminated soils from southwest Poland / A. Clinopeca, J.R. Bacon, M.J. Wilson, J. Kay // Environ. Qual. - 1996. - № 1. - Р. 69-79.
29. Hutton M. The environmental, implications of cadmium in phosphate fertilizers / M. Hutton // Phosphorus and Potassium. - 1983. - V 123, № 1/2. -P. 33-36.
