CC BY
96
I
SCIENCE TIME
I
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ЭКОСИСТЕМАХ И АГРОЦЕНОЗАХ
Волкова Александра Викторовна, Российская государственный аграрный университет - Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева, г. Москва
E-mail: navirav13@mail.ru
Аннотация. Статья представляет собой обзор современных литературных данных, касающихся проблематики загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Приводится краткая характеристика группы «тяжелых металлов», обоснование включения элементов в группу. Освещаются преимущественные источники загрязнения биосферы тяжелыми металлами. Даются описания наиболее распространенных поллютантов и их обобщающая характеристика.
Ключевые слова: тяжелые металлы, загрязнение, интоксикация, отравление, промышленность, окислительный стресс.
Группа тяжелых металлов
Термином «тяжелые металлы» (ТМ) в большинстве случаев именуют не только элементы-металлы, но и проявляющие схожие с ними свойства (висмут В^ мышьяк As). Все они являются элементами-загрязнителями окружающей среды, а среди основных критериев причисления к группе тяжелых металлов можно выделить большую атомную массу (более 50 атомных единиц), плотность, наличие токсичности для живых организмов, аккумуляция ими, степень распространения в окружающей среде, включенность в естественные и техногенные циклы. Разными авторами приводятся различные данные о числе элементов, составляющих группу тяжелых металлов.
Можно сказать, что на настоящий момент принято причислять к ТМ более 40 металлов. Наиболее воздействие на компоненты экосистем оказывают 7п, Cd, РЬ, Sn, Fe, Мп, Ag, Си, Сг, Со, №, As, А1. Уже незначительные количества ТМ становятся избыточными для живых организмов, где указанные элементы начинают вести себя как токсиканты. Среди указанных элементов выделяют Мп, Fe, Си, 7п и Мо, поскольку они являются необходимыми для развития растений, As иногда упоминается как микроэлемент, необходимый организму животных. Иногда к ТМ может быть отнесен и Se - незаменимый для растений и животных микроэлемент, входящий в состав ряда важных ферментов и формирующий
1 SCIENCE TIME 1
активный центр ферментов глутатионпероксидаз, обезвреживающих избыток перекиси водорода, в то же время вызывающий отравление при избыточном поступлении [1; 2]. ТМ встречаются в виде свободных катионов или разнообразных химических и физико-химический соединений, образование которых зависит от источников загрязнения, характера среды, присутствия определенных неорганических и органических веществ, окислительно-восстановительного потенциала, pH среды и т.д. [3].
Экологами и другими специалистами, занятыми в охране окружающей среды, выделяется обозначена приоритетная группа наиболее опасных для человека и животных элементов: Щ, Pb, As, Cd, 7п, №. Сила токсического действия загрязнителя зависит от степени окисления элемента, формы соединения, закрепление элемента-поллютанта органическим или неорганическим носителем [4; 5].
Источники загрязнения
Наличие тяжелых металлов в природных объектах может быть связано с естественными процессами: тектоническими сдвигами и формированием горных массивов, почвообразованием, эрозией, перераспределением вещества в результате стихийных бедствий. В последнее время рост концентрации тяжелых металлов происходит благодаря активному развитию хозяйственной деятельности человека. Непрекращающийся рост населения и быстрое наращивание производства привели состояние экосистем многих регионов к порогу экологического кризиса [6, с. 23].
Наибольшая доля загрязнения приходится на горно-обогатительные комплексы, добычу энергоносителей, объекты цветной и черной металлургии, производство и использование удобрений и пестицидов. Более половины выбросов загрязнителей в атмосферу поступает от транспортной сети. Мощными источниками поллютантов остаются объекты энергетики, функционирующие на жидком и твердом топливе. Сжигание отходов сопряжено с выходом в атмосферу ртути, кадмия, свинца, хрома и мышьяка. Загрязнения тяжелыми металлами и радионуклидами происходят в ходе испытаний вооружения и военных конфликтов [8; 9].
Тяжелые металлы мигрируют с атмосферным воздухом, оседая на поверхности почвы и растений. Вымываясь из твердых отходов или попадая в месте со сточными водами в почву, подвижные соединения проникают через корневую систему в растения, а затем поднимаются по трофическим связям в организм животных и человека [8; 10].
В зависимости от источника, в окружающей среде преобладают разные соединения ТМ: в условиях естественных биогеохимических провинций преимущественно встречаются сульфаты, сульфиды и карбонаты, при техногенном поступлении ТМ присутствуют в элементарной форме и в виде оксидов [11].
Основные тяжелые металлы-поллютанты
Медь. Соединения меди, цинка и свинца являются самыми распространенными поллютантами в окружающей среде. Медь представлена в
»
89
1 SCIENCE TIME 1
почве в основном в виде комплексных соединений с органическими лигандами, на долю которых может приходиться до 99% всего элемента. Элемент прочно закрепляется в поглощающем комплексе почв и становится труднодоступным для микроорганизмов и растений [12].
Отравления медью встречаются редко. Высокую восприимчивость отмечаю у цыплят, интоксикация у которых отмечается при превышении количества меди свыше 110 мг/кг корма. Избыток меди вызывает гемолитическую анемию, мышечную дистрофию и диарею, острое отравление способно привести к судорогам и гибели от сердечной недостаточности или печеночной комы [13]. Хроническая интоксикация сопровождается некротическими изменениями в печени, гипекупремией, метгемоглобинией. Животные апатичны, теряют аппетит, у них учащается дыхание, проявляется жажда [14].
Цинк. В почвах 7п образует гидрокомплексы и прочие комплексы с неорганическими и органическими лигандами, такими как хлориды, фосфаты, сульфаты и анионы органических кислот. До 75% цинка почв находятся в виде комплексов с органическими соединениями.
Цинк характеризуется высокой технофильностью, и с годами она возрастает: повсеместно отмечается рост уровня цинка в почвах индустриальных районах и приближенных территорий, а также сельхозугодий. При этом у почвенных микроорганизмов и растений отсутствуют эффективные физиологические барьеры, могущие препятствовать избыточному проникновению элемента [15]. Накопление 7п и ^ в организме животных вызывает гемолиз эритроцитов и цитогенетические нарушения [16].
Свинец. Большие площади почвенного покрова в настоящее время загрязнены свинцом. Металл представлен в окружающей среде широким рядом соединений с различной биологической доступностью, но все же Pb относится к тяжелым металлам, характеризующимся наименьшей подвижностью. На подвижность свинца оказывает воздействие образование его хелатных комплексов с органическими соединениями, растворимы в водной среде, в засушливых условиях на подвижность влияет присутствие О-.
Металл широко применяется промышленностью. Он используется в составе сплавов, производстве аккумуляторов, медицинской технике, лакокрасочном производстве, оптике. Большие концентрации металла часто приурочены к автомагистралям.
Поступающий с водой и пищей свинец активнее всего аккумулируется в почках, приводя к патологическим процессам в органе, а также костной ткани. Хроническая интоксикация свинцом приводит к анемии, истощению и поражениям нервной системы, происходит потеря активности ферментов. Также тяжелый металл нарушает обмен железа [17].
Ртуть. Металл попадает в окружающую среду в процессе естественного испарения и в результате использования в высокотехнологичном производстве. Соединения ^ используются при протравке посевного материала и в роли пестицидов.
Ртуть способна образовывать высокотоксичные биодоступные формы (метилртуть) в гидроморфных условиях, ее содержание часто превышает нормы
1 SCIENCE TIME 1
в рыбе и морских продуктах. Вдыхание паров металлической ртути активнее всего поражает центральную нервную систему. Длительное накопление металла в организме обуславливает развитие миастении, нарушений координации, заболевания печени и выделительной системы [17].
Кадмий. Попадая в растения, кадмий ингибирует активность ферментов, тормозит фотосинтез, нарушает транспирацию и фиксацию углекислого газа, восстановление К02 до N0. Элемент ингибирует активность каталазы, разрушающей перекиси в почве и организмах растений и животных [18]. Cd проявляет антагонизм в отношении ряда химических элементов, в числе которых цинк и медь.
Преимущественные источники кадмиевого загрязнения - автомобильный транспорт и использование удобрений. Часто он попадает в почву при внесении фосфорных удобрений. Cd долгое время остается в почве, а его накопление максимально в нейтральных и щелочных почвах, богатых гумусом [15].
Кадмий плохо усваивается, его всасывание в пищеварительном тракте может быть на уровне 4-5%, но оно усиливается при недостатке кальция, железа и белка и угнетается цинком. К отравлению металлом наиболее чувствительны почки, где тяжелый металл препятствует реабсорбции белков в дистальных канальцах. Металлический кадмий также обладает канцерогенной активностью.
Мышьяк. Металлоид в природе представлен высокотоксичными арсенитами и арсенатами. При попадании в организм животных достаточно хорошо всасывается, в дальнейшем вызывая патологические изменения в печени и почках. К симптомам отравления As причисляют поражения кожного покрова дерматит, гиперкератоз, кровеносных сосудов и нервной системы [19].
Соединения мышьяка оказывают на живые организмы отравляющее, канцерогенное, тератогенное и гонадотропное действие. При отравлении As поражается нервная система, развиваются нефропатии, усиливается окислительный стресс. Соединения мышьяка увеличивают частоту репродуктивных нарушений и приводят к потере остроты слуха и дисфункции щитовидной железы [20; 21].
Элементы-тяжелые металлы обладают, таким образом, рядом общих черт. Все они приводят к деградации природной среды. Они повреждают функциональные группы структурных белков и ферментов, инактивируют ферменты вытеснением металла из их активного центра. Тяжелые металлы, вытесняя из соединений металлы переменной валентности, или же являясь им, обеспечивают интенсивную продукцию крайне токсичных активных форм кислорода, запускающих цепные реакции перекисного окисления липидов. С острой и хронической интоксикацией тяжелыми металлами связывают рост учащение злокачественных перерождений тканей, стойкие нарушения работы нервной системы, репродуктивные нарушения, низкую жизнеспособность потомства и мутации. ТМ проявляют тропность, аккумулируясь в определенных органах, повреждая их ткани и структуру, вызывают функциональные нарушения [22; 23].
1 SCIENCE TIME 1
Заключение
Экологические последствия загрязнения биосферы тяжелыми металлами
разнообразны. Отравление их соединениями нередко вызывают тяжелые
нарушения жизнедеятельности и гибель флоры и фауны. Наносится существенный вред здоровью человека. Строгий контроль за поступлением в
окружающую среду тяжелых металлов необходим на всем пути их распространения.
Литература:
1. Сафонов В.А. Содержание селена в крови и состояние системы антиоксидантной защиты у коров // Матер. Межд. науч.-практ. конф.: Актуальные проблемы болезней обмена веществ у сельскохозяйственных животных в современных условиях. - Воронеж, 2010. - С. 204-207.
2. Нежданов А.Г., Шабунин С.В., Сафонов В.А. Селен и репродуктивное здоровье животных // Ветеринария. - 2014. - № 5. - С. 4-8.
3. Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Назаренко О.Г. Состав соединений тяжелых металлов в почвах. - Ростов-на-Дону: Ростов, 2009. - 208 с.
4. Водяницкий Ю.Н. Тяжелые и сверхтяжелые металлы и металлоиды в загрязненных почвах. - М.: ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 2009. - 95 с.
5. Рыльникова М.В., Радченко Д.Н., Цупкина М.В., Сафонов В.А. Исследование экологического воздействия новотроицкого хвостохранилища на растительный покров и живые организмы // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. - 2020. - № 1. - С. 108-120.
6. Узаков З.З. Тяжелые металлы и их влияние на растения // Символ науки. -2018. - № 1-2. - С. 52-53.
7. Филимонов И.А., Мальчик А.Г. Экологическая оценка состояния промышленно загрязненных почв Кузбасса // Science Time. - 2015. - № 6 (18). -С. 526-534.
8. Федотова А.С. Содержание тяжелых металлов в отвалах, образованных вскрышными породами на угольных разрезах // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2006. - №. 1. - С. 200-205.
9. Крылова В.С., Маканова А.У., Токмагамбетова Р.Ю. Эколого-экономическое состояние Атырауской области // Гидрометеорология и экология. - 2009. - № 4. - С. 75-86.
10. Safonov V.A., Ermakov V.V., Degtyarev A.P., Dogadkin N.N. Prospects of biogeochemical method implementation in identifying rhenium anomalies // В сборнике: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science conference proceedings. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations. - Krasnoyarsk, Russia, 2020. - С. 62035.
11. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения // Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. - 194 с.
»
92
1 SCIENCE TIME 1
12. Чимитдоржиева Г.Д., Нимбуева А.З., Бодеева Е.А. Тяжелые металлы (медь, свинец, никель, кадмий) в органической части серых лесных почв Бурятии // Почвоведение. - 2012. - № 2. - С. 166-166.
13. Кандрашкина М.С. Токсические дозы меди в рационе кур-несушек // В мире научных открытий: материалы Всероссийской студенческой научной конференции (с международным участием). - Ульяновск: УлГАУ, 2017. - Т. III. -Ч. 1. - С. 207-209.
14. Комлева Н.А. Медь: роль в кормлении сельскохозяйственных животных, профилактика недостатка меди // Научный электронный журнал Меридиан. -2021. - № 1 (54). - С. 168-170.
15. Петрова Е.Е., Райхерт Е.В. Загрязнение почв вблизи автомагистралей кадмием и цинком и их биологическое поглощение яровой пшеницей (в условиях Алейского района Алтайского края) // Известия АлтГУ. - 2013. - № 3 (79). - С. 44-48.
16. Хантурина Г.Р., Ибраева Л.К., Норцева М.А. Цитогенетические нарушения при интоксикации солями цинка и меди // Современные наукоемкие технологии. - 2011. - № 3. - С. 13-15.
17. Минченко В.Н., Коваль О.В., Васькина Т.И. Химический анализ костной ткани телят при включении в рацион биопротекторов в условиях техногенного загрязнения территории // Вестник ФГОУ ВПО Брянская ГСХА. - 2016. - № 1 (53). - C. 33-37.
18. Новоселова Е.И., Башкатов С.А. Влияние загрязнения кадмием на ферментативную активность чернозема обыкновенного // Вестник Башкирского университета. - 2014. - Т. 19. - № 4. - С. 1204-1207.
19. Самбурова М.А., Сафонов В.А. Накопление мышьяка и тяжелых металлов живыми организмами на территории техногенного образования в Челябинской области // Фундаментальные основы биогеохимических технологий и перспективы их применения в охране природы, сельском хозяйстве и медицине. Труды XII Международной биогеохимической школы, посвященной 175-летию со дня рождения В.В. Докучаева. - Тула, 2021. - С. 394-401.
20. Shahid M.M., Begum K., Rahman K., Ara H., Ferdousi S., Gomes R.R. Thyroid disorders in arsenic prevalent area in Bangladesh // Thyroid Research and Practice. - 2021. - Vol. 18. - № 1. - pp. 19-22.
21. Барабаш А.Л., Булгаков Н.Г. Влияние химико-микробиологического состава подземных питьевых вод на здоровье человека // Успехи современной биологии. - 2015. - Т. 135. - № 5. - С. 480-495.
22. Алемасова А.С., Сафонов А.И., Сергеева А.С. Накопление тяжелых металлов мохообразными в различных экотопах Донбасса // Трансформация экосистем под воздействием природных и антропогенных факторов. - 2019. - С. 60-65.
23. Самбурова М.А., Сафонов В.А. Накопление тяжелых металлов растениями и животными Новотроицкого хвостохранилища // Исследование живой природы Кыргызстана. - 2021. - № 1. - С. 62-64.
