Роль содержания тяжёлых металлов в почвах для жизнедеятельности растений

NovaInfo 59, с.39-47, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Биологические науки
Просмотров за месяц: 18
CC BY-NC

Аннотация

В статье представлены данные о влиянии содержания тяжёлых металлов в почвах на растительные организмы.

Ключевые слова

ПОЧВА, ЗАГРЯЗНЕНИЕ, ЭКОЛОГИЯ, УРБАНИЗАЦИЯ

Текст научной работы

Почвенный покров является важнейшим природным образованием.

Важнейшее свойство почвенного покрова — его плодородие, под которым понимается совокупность свойств почвы, обеспечивающих высокие урожаи сельскохозяйственных культур, нормальный прост и развитие различных растительных организмов городской и естественной среды.

Проблема загрязнения и деградации почв была актуальна всегда.

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

Тяжёлые металлы уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как двуокись углерода и серы, в прогнозе же они должны стать самыми опасными, более опасными, чем отходы АЭС и твердые отходы.

Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

Загрязнение тяжёлыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве вкупе со слабыми системами очистки, в результате чего тяжёлые металлы попадают в окружающую среду, в том числе и почву, загрязняя и отравляя её.

Тяжёлые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение понятия "тяжёлые металлы". В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

Почва являются основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан. Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.

Рассмотрим влияние отдельных металлов на процесс, происходящие в растениях и организме человека.[1]

Свинец. В небольших количествах (5-10 мг/кг) повышает содержание крахмала, ускоряет прорастание растений [2].

Главным источником свинца в организме людей служит пища, кроме того, вдыхаемый воздух, содержащий свинцовую пыль. Свинец сосредотачивается в костях (до 90 %), период вывода из организма составляет 10 лет [55]. В организме человека и животных содержание свинца составляет в среднем 1 мг/кг. Чаще всего он встречается в печени, селезенке, костях, костном мозге, в когтях птиц, шерсти животных, в молоке [2].

Свинец нарушает синтез гема и глобина, вмешиваясь в порфириновый обмен, индуцирует дефекты мембран эритроцитов [4]. При повышенном содержании свинца в организме животных и человека развивается малокровие, общая слабость, туберкулез, происходит перерождение тканей, печени и почек [2].Симптомы хронического отравления: слабость, отсутствие аппетита, быстрая утомляемость, нервозность, дрожь, дурнота, головная боль, нарушение функций желудка, бледность, свинцовая кайма на деснах. Свинец стал компонентом любой растительной и животной пищи [5].

Медь является составной частью целого ряда окислительных ферментов; оказывает положительное воздействие на фотосинтез, образование хлорофилла, синтез белковых веществ в растениях [4].

Медь способна проникать во все клетки, ткани и органы. Максимальная концентрация меди отмечена в печени, почках, мозге, крови, однако медь можно обнаружить и в других органах и тканях [4].

У животных и человека медь способствует синтезу гемоглобина крови, ускоряет созревание эритроцитов; помогает построению и регенерации костной ткани; усиливает гипогликемический эффект инсулина, препятствует распаду гликогена в печени. Особенно необходима медь для развивающегося плода беременной женщины, она накапливается в печени плода, а затем в грудном возрасте ребенка интенсивно расходуется[3].

Недостаток меди в организме животных вызывает болезни лизуху и анемию. У человека страдает кроветворная функция организма, особенно у детей, что приводит к анемии. Избыток меди вызывает у ягнят перерождение печени и развитие желтухи, а у человека – острый панкреотит, язву двенадцатиперстной кишки, бронхиальную астму [3]. Хронический токсикоз у человека, вызванный медью, был обнаружен лишь в тех редких случаях, когда человек наследует аномальные гены и когда у него в результате развивалась болезнь Вильсона (дисфункция и структурные изменения печени, центральной нервной системы, почек, костей и глаз) [5].

Цинк в растениях активно участвует в окислительно-восстановительных процессах; стабилизирует дыхание; помогает превращениям соединений, содержащих сульфгидрильные группы. Играет роль в фосфорном и углеводном обмене, способствует синтезу нуклеиновых кислот и белка, регулирует синтез крахмала, оказывает влияние на процесс плодоношения [4].

При недостатке цинка падает активность ферментов, участвующих в растениях; нарушается окислительное фосфорилирование, появляются болезни листьев; угнетается развитие яйцеклетки и зародыша гороха; растения вегетируют, но семена производят[4].

Цинк является весьма важным для жизнедеятельности человека микроэлементом [6]. У животных и человека он регулирует процесс кроветворения, оказывает влияние на обмен углеводов и белков, на окислительно-восстановительные процессы и функцию половых желез. Снижает уровень сахара в крови больных диабетом. Входит в состав ферментов, участвующих в процессах связывания тканями кислорода и выделения легкими углекислоты, в образовании соляной кислоты в желудке. Сохраняет чёткость зрения [4].Цинк способствует всасыванию витамина Е и поддержанию нормальной концентрации этого витамина в крови. Немаловажную роль он играет в переработке организмом алкоголя, поэтому недостаток цинка может повышать предрасположенность к алкоголизму [4].

Соли цинка задерживают свертывание молока, угнетают рост дифтерийных микробов и бацилл тифа, снижают возбудимость и проводимость нервных волокон [4]. К наиболее характерным признакам хронической цинковой недостаточности в организме человека относят замедление роста, кожные изменения, плохой аппетит, торможение умственной деятельность и замедленное заживление ран [5].

Марганец участвует в фотосинтезе и дыхании, регулирует окислительно-восстановительные процессы в зависимости от условий питания растений. Так, при питании азотом марганец ведет себя как восстановитель, а при аммиачном питании – как сильный окислитель. Марганец находится преимущественно в хлоропластах, способствует фиксации азота, увеличивает количество аминокислот; ускоряет спиртовое брожение и аэробное окислительное углеводов; активирует ряд ферментов. Особенно те, которые катализируют окислительно-восстановительные процессы [4].

Марганец является эссенциальным элементом для человека и животных. Соединения марганца в основном поступают в организм с пищей. Всасывание марганца происходит в организме на всем протяжении тонкого кишечника [6].

В организме животных является стимулятором роста, оказывает влияние на размножение и развитие; повышает окисление жиров, выделение азота из организма; способствует синтезу и усвоению витаминов А, В, С; помогает окостенению скелета. Влияя на железы внутренней секреции, марганец противодействует отложению жиров в печени, принимает активное участие в выработке защитных сил организма, способствует повышению антитфоксичности сыворотки крови. Соли марганца, введенные в кровь диабетиков, усиливают способность инсулина снижать содержание сахара [4].

При длительном воздействии соединений марганца на организм человека проявляются резкие его изменения, особенно в половой сфере (нарушение менструального цикла и развития плода у беременных; снижение подвижности сперматозоидов у мужчин). При хроническом отравлении марганцем поражается центральная нервная система, возникают марганцевая пневмония, цирроз печени. Нарушение соотношения марганца и азотом, калием и кальцием может привести к раку пищевода и желудка [4].

Кобальт. Его физиологическая роль для растений велика и разнообразна. Кобальт повышает урожай картофеля и содержание в нем крахмала. Усиливает биосинтез белка, увеличивает содержание аскорбиновой кислоты, ускоряет цветение растений клевера и повышает урожай овощей [4].

Кобальт является важным фактором роста для всех живых организмов, и особенно микроорганизмов. Он играет важную роль в кроветворных процессах; стимулирует работу костного мозга и синтез гемоглобина; входит в комплекс витамина B12, необходимого для построения эритроцитов. Кобальт участвует в окислительно-восстановительных процессах, обмене углеводов и жиров. Под его влиянием в организме накапливаются витамины А, В, С, К [4].

При недостатке кобальта у животных развивается сухотка, сопровождаемая анемией, потерей аппетита, истощением и гибелью. Соли кобальта, введенные в организм животных, снимают болезнь, повышают его защитные силы. У людей, страдающих спазмами желудочно-кишечного тракта, они улучшают моторную деятельность, а также кровоснабжение сердечной мышцы [4].

Кадмий очень токсичен, он не входит в число необходимых для растений элементов, но эффективно поглощается. Кадмий в основном локализуется в корнях и в меньших количествах – в стеблях, черешках и главных жилках листьев. Хлорофилл обладает способностью концентрировать кадмий в растительных тканях. Видимые симптомы, вызванные повышенным содержанием кадмия в растениях, - это хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев и прожилок, а также задержка роста и повреждение корневой системы [6].

Легко аккумулируется многими организмами, в особенности бактериями и моллюсками. Кадмий чрезвычайно опасен для человека. В организме человека кадмий аккумулируется в основном в почках, печени и двенадцатиперстной кишке. С возрастом содержание кадмия в организме увеличивается, особенно у мужчин [5].

В связи с его медленным выводом из организма отравление кадмием может носить хронический характер. Симптомы хронического отравления: поражение почек, нервной системы, легких, нарушение функций половых органов, боли в косиях скелета. С отравлением кадмием связана болезнь «итай-итай», характеризующаяся сильными болями, деформацией скелета, переломами костей, поражением почек [55].Поражение почек, вызванное кадмием, носит необратимый характер, и состояние может ухудшаться, даже если воздействие кадмия прекращается [5].

Никель. Биологическая роль никеля пока изучена слабо, хотя он встречается во всех растительных и животных организмах. Никель оказывает заметное влияние на урожай сельскохозяйственных культур, особенно картофеля [4].

В организмах животных он накапливается в печени, почках, поджелудочной железе, легких, плазме крови. Много никель концентрируется в шерсти, коже, рогах, в роговице глаза. В небольших количествах никель повышает активность фермента пепсин и улучшает кроветворный процесс [4].

При повышенных содержаниях никеля в роговице глаза возникает кератит и становиться возможным появление бельма (никелевая слепота). Этой болезнью чаще страдают ягнята и телята [4]. Никель может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давление. Избыточное поступление в организмникеля может вызывать депигментацию кожи (витилиго) [5]. У лиц, работающих с соединениями никеля, может возникнуть профессиональное заболевание, называемое никелевая экзема кожи [4].

Хром используется растениями в небольших количествах, но его физиологическая роль не изучена [4].

Естественным источником хрома для человека являются растения [5].В животном организме он концентрируется больше всего в легких, печени, селезенке, мышцах и костном мозге и входит в состав фермента пепсин [4, 5].

Хром обладает раздражающим, аллергирующим, мутагенным и канцерогенным эффектом [5]. Один из биологических эффектов хрома связан с его влиянием на так называемый фактор толерантности к глюкозе, активность которого падает при дефиците хрома и восстанавливается после его добавления. Синдром нарушения толерантности к глюкозе сопутствует сахарному диабету и проявляется в виде гипергликемии и глюкозурии на фоне дефицита хрома [5]. Недостаток хрома вызывает заболевание глаз (снижение поглощения глюкозы хрусталиком глаза), нарушение углеводного обмена [4, 5].

Ртуть поступает в организм человека с морской рыбой, морепродуктами и рисом, общим количеством до 0,2 мг/кг в сутки.Ртуть обнаружена во всех органах и тканях организма человека. Хотя физиологическая роль ртути неясна, возможно, что этот элемент играет значительную роль в организме человека.Считается, что оптимальная интенсивность поступления ртути в организм составляет 1-5 мкг/день [5].

Токсичность ртути зависит от той химической формы, в которой она попадает в организм. Металлическая ртуть (в жидком виде) при попадании в организм в целом нетоксична и всасывается в желудочно-кишечном тракте практически полностью. Максимальная концентрация ртути отмечается в почках. В других тканях эта концентрация ниже. Повышенное содержание ртути может отмечаться в волосах, ногтях и коже [5,7].

Мышьяк. В организм человека соединения мышьяка поступают с питьевой и минеральной водой, виноградными винами и соками, морепродуктами, медицинскими препаратами, пестицидами и гербицидами. Депонируется мышьяк преимущественно в ретикуло-эндотелиальной системе [5,7].

Синдромов дефицита мышьяка у людей не установлено, а колическтво острых и хронических (в том числе эндемических) заболеваний при избытке весьма велико. К ним относятся различные арсенозы, поражающие многие органы, в частности, нервную систему и сердце, вызывающие раковые заболевания [8].Значительные количества мышьяка содержатся в рыбьем жире и морской рыбе (до 10 мг/кг), винах (до 1 мг/л и более). В питьевой воде содержание мышьяка составляет менее 10 мкг/л, однако в некоторых регионах мира (Индия, Бангладеш, Тайвань, Мексика) содержание этого элемента достигает более 1 мг/л, что является причиной массовых хронических отравлений мышьяком и вызывает так называемую болезнь «черной стопы». Около 80% мышьяка всасывается в желудочно-кишечном тракте, 10% поступает через легкие и около 1% — через кожу. Через 24 часа после поступления, из организма выводится 30% мышьяка с мочой и порядка 4% с фекалиями. Мышьяк накапливается в легких, печени, коже и тонком кишечнике [5].Токсичной дозой мышьяка считается 5,50 мг, летальный 50-340 мг [5].

Мышьяк относят к условно эссенциальным, иммунотоксичным элементам. Известно, что мышьяк взаимодействуют стиоловыми группами белков, цистеином, глутатионом, липоевой кислотой. Мышьяк оказывает влияние на окислительные процессы в митохондриях и принимает участие во многих других важных биохимических процессах [5].

Тяжелые металлы обнаружены в растениях, организме животных и человека являются необходимыми для их жизнедеятельности, но при высоких концентрациях могут вызвать острые и хронические заболевания, а также привести к летальному исходу.

В условиях урбанизации превышение нормативного содержания тяжёлых металлов в почвенном покрове ухудшает социально-гигиенические аспекты жизнедеятельности, а также на устойчивость развития [9-16] городской растительности [16-30].

Читайте также

Список литературы

  1. Дворникова, Л.Л. Почвенный покров западной части Вологодской области: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук /ДворниковаЛ.Л. – Л.: ЛГПИ, 1964. – 17с.
  2. Геохимия тяжелых металлов в природных и техногенных ландшафтах / под ред. М. А. Глазовской. – М.: Изд-во МГУ, 1983. – 196 с.
  3. Экологический энциклопедический словарь. – М.: Издательский дом «Ноосфера», 1999. – 930 с.
  4. Скальный, А. В. Химические элементы в физиологии и экологии человека / А. В. Скальный. – М.: Издательский дом «ОНИКС 21 век»: Мир, 2004. – 216 с.
  5. Энциклопедия по безопасности и гигиены труда. – Т. 2. З-Н. – М.: профиздат, 1986 – с. 697 – 1408
  6. Энциклопедия по безопасности и гигиены труда. – Т. 4. Ч. 2. Ф-Я. – М.: профиздат, 1987 – с. 2729 – 3288
  7. Кадмий – реальная угроза для растений [Электронный ресурс]: информационные технологии. – Режимдоступа:http://rcc.ru/Rus/IT/?ID=12257.
  8. Ляпкина, А.А. Пойменные почвы Присухонской низины/ А.А. Ляпкина//Природа, сельское хозяйство и культура Вологодской области. – 1966. – С. 123-138.
  9. Хамитова С.М., Авдеев Ю.М. Дендропарк имени Николая Клюева -новое место городского пространства//Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2015. № 9. С. 51-55.
  10. Костин А.Е., Авдеев Ю.М. Геоботанические исследования биоразнообразия в урбанизированной сред//Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2015. № 3. С. 19-23.
  11. Князев С.Д., Левгерова Н.С., Цой М.Ф. Итоги научной деятельности фгбну «Всероссийский научно-исследовательский институт селекции плодовых культур» за 2015 г//Плодоводство и ягодоводство России. 2016. Т. XXXXIV. С. 32-41.
  12. Авдеев Ю.М., Попель Е.С. Сортность стволов в лесных культурах//Научное обеспечение - сельскохозяйственному производству. Биологические науки. Международная научно-практическая конференция, посвященная 99-летию академии. 2010. С. 9-11.
  13. Рувинова Л.Г., Сверчкова А.Н., Хамитова С.М., Авдеев Ю.М. Биологический мониторинг загрязнения почвенной и водной среды в условиях урбанизации//Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2016. № 6 (117). С. 14-20.
  14. Хромова Т.М., Емельянова О.Ю., Цой М.Ф. Экологическая оценка состояния древесных растений декоративной группы возделываемых биотопов городов Орловской области// Плодоводство и ягодоводство России. 2016. Т. XXXXVI. С. 409-412.
  15. Avdeev Y.M. The influence of climate on the formation of the crown of the tree//Современный научный вестник. 2016. Т. 12. № 2. С. 60-61.
  16. Рудаков В.О., Картабаева Б.Б., Хамитова С.М., Авдеев Ю.М. Микроорганизмы почвы дендропарка Николая Клюева//Биотика. 2015. Т. 7. № 6. С. 172-175
  17. Дубовицкая О. Ю., Цой М. Ф., Павленкова Г. А., Масалова Л.И., Фирсов А.Н. Сохранение генофонда и основные итоги интродукции растений дендрария ВНИИСПК//Современное садоводство - Contemporary horticulture. 2015. №2. С.111-122. URL: http://journal.vniispk.ru/pdf/2015/2/32.pdf
  18. Уханов В.П., Хамитова С.М., Авдеев Ю.М. Экологический мониторинг состояния особо охраняемых природных территорий//Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2016. № 10 (121). С. 66-71.
  19. Емельянова О.Ю., Цой М. Ф. Оценка состояния и сохранения генофонда растений семейства березовые (Betulaceae C.A.Agardh) дендрария ВНИИСПК//Современное садоводство. 2015. № 4.С. 86-96.
  20. Авдеев Ю.М., Хамитова С.М., Гаранович И.М., Климовская А.Р., Селякова Н.С., Евтушенко Ю.С., Снетилова В.С. Опытные культурфитоценозы ели в Вологодской области//Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 (56). С. 427-435.
  21. Гаранович И.М., Хамитова С.М., Авдеев Ю.М., Снетилова В.С., Климовская А.Р., Селякова Н.С. Разработка биологических принципов формирования устойчивых биоценотических связей сообществ почвенных микроорганизмов прикорневой зоны и зелёных городских насаждений Вологодской области//Современные научные исследования и инновации. 2015. № 10 (54). С. 45-49.
  22. Авдеев Ю.М. Влияние возраста древостоя на сучковатость стволов в лесных культурах//Повышение эффективности лесного комплекса республики Карелия. Материалы четвертой республиканской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, докторантов. 2013. С. 5-6.
  23. Цой М.Ф. Толерантность сортов чечевицы к системным гербицидам и их влияние на засоренность, урожай и качество семян в условиях Московской области//диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук / Москва, 2000
  24. Рудаков В.О., Хамитова С.М., Авдеев Ю.М., Конашенко Ю.И., Климовская А.Р., Селякова Н.С Микробиологические исследования почв дендропарка имени Николая Клюева//Современные научные исследования и инновации. 2015. № 9-1 (53). С. 110-114.
  25. Хамитова С.М., Авдеев Ю.М. Микробиологические исследования почв в зелёных городских насаждениях Вологодской области//Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2016. № 10 (121). С. 29-35.
  26. Хамитова С.М., Авдеев Ю.М., Макин М. Preservation of historical and cultural heritage Nikolai Кlyuev creation of the park//Научният потенциал на света-2015. С. 50-51.
  27. Емельянова О.Ю., Цой М.Ф.Оценка состояния и сохранение генофонда растений бореальных ландшафтов дендрария ВНИИСПК//Селекция и сорторазведение садовых культур. 2016. Т. 3. С. 44-48.
  28. Дубовицкая О.Ю., Цой М.Ф., Павленкова Г.А., Масалова Л.И., Фирсов А.Н. Дендрарий ФГБНУ ВНИИСПК - центр интродукции древесных растений/ //Садоводство и виноградарство. -2015. -№ 3. -С. 46-50.
  29. Авдеев Ю.М. Фитосфера и параметры деревьев в лесных экосистемах// NovaInfo.Ru. 2017. Т. 1. № 58. С. 141-145.
  30. Авдеев Ю.М., Десятова И.С., Долгов Д.А., Ефимычев П.А., Заугарин Н.А., Костин А.Е. Оценка эколого-рекреационного потенциала ООПТ// NovaInfo.Ru. 2017. Т. 1. № 58. С. 145-150.

Цитировать

Снетилова, В.С. Роль содержания тяжёлых металлов в почвах для жизнедеятельности растений / В.С. Снетилова. — Текст : электронный // NovaInfo, 2017. — № 59. — С. 39-47. — URL: https://novainfo.ru/article/11224 (дата обращения: 16.05.2022).

Поделиться