Влияние тяжелых металлов на растения

Тяжелые металлы  и их влияние на растения

Введение 

Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). Изучение минерального питания растительных организмов включает в себя знакомство и с микроэлементами. 

В настоящее время  при помощи специальных, особо чувствительных методов удалось определить в  составе организмов свыше 60 таких  химических элементов. Однако можно  утверждать, что названное число  не является пределом и в состав организмов в самом деле входят все  известные химические элементы и  их изотопы, (как стабильные, так  и радиоактивные). 

Химические элементы, которые, входя в состав организмов растений, животных и человека, принимают  участие в процессах обмена веществ  и обладают выраженной биологической  ролью, получили название биогенных  элементов. К числу биоэлементов относятся: азот, водород, железо, йод, калий, кальций, кислород, кобальт, кремний, магний, марганец, медь, молибден, натрий, сера, стронций, углерод, фосфор, фтор, хлор, цинк. 

Указанный перечень будет, несомненно, увеличиваться по мере роста наших знаний. Например, биогенное значение кобальта и молибдена  определилось недавно. Некоторые элементы биогенны только по отношению к определенным классам, родам, а иногда и видам  организмов. Например, бор необходим  для растений, но пока не может считаться  биогенным по отношению к животным и человеку. 

Значительное количество химических элементов, постоянно обнаруживаемых в организмах, оказывает определенное влияние на течение процессов  обмена веществ и на ряд физиологических  функций в эксперименте, однако еще  не известно, какую роль эти элементы играют в организмах в природных  условиях, и поэтому их биогенное  значение пока сомнительно. К таким  элементам относятся алюминий, барий, бериллий, бром, висмут, галлий, германий, кадмий, литий, мышьяк, никель, олово, радий, ртуть, рубидий, свинец, серебро, сурьма, титан, уран, хром, цезий. 

Количественное содержание биоэлементов, входящих в состав организмов, сильно варьирует в зависимости  от среды обитания, способа питания, видовой принадлежности и т. п. 

Основную массу  живого вещества (99,4%) составляют так  называемые макроэлементы: О, С, Н, Са, N, К, Р, Мg, S, Cl, Na.  

К числу микроэлементов, содержание которых в организме  исчисляется тысячными и даже триллионными долями процента, относятся: железо, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк, кадмий, фтор, йод, селен, стронций, бериллий, литий и др. 

Микроэлементам, несмотря на их малое количественное содержание в организмах, принадлежит значительная биологическая роль. Помимо общего благоприятного влияния на процессы роста и развития, установлено  специфическое воздействие ряда микроэлементов на важнейшие физиологические  процессы — например, фотосинтез у  растений. 

Связь между ролью  элемента в живом организме и  положением его в периодической  системе хорошо прослежена для многих микроэлементов, однако далеко еще  не все стороны этой зависимости  изучены в достаточной степени. 

Обратимся теперь к  сущности влияния микроэлементов на живой организм. Наиболее характерна высокая биологическая активность микроэлементов, т. е. способность чрезвычайно  малых доз их оказывать сильное  действие. 

Мощное воздействие  микроэлементов на физиологические  процессы и организме объясняется  тем, что они вступают в теснейшую  связь с биологически активными  органическими веществами — гормонами, витаминами. Изучена также их связь  со многими белками и ферментами. Именно указанными взаимоотношениями  и определяются основные пути вовлечения микроэлементов в биологические  процессы. 

В настоящее время  твердо установлена связь между  микроэлементами и витаминами. Показано, что марганец необходим для образования  в ряде растений витамина С (аскорбиновой кислоты), предохраняющего человека и, некоторых животных от заболевания  цингой. Есть данные, показывающие, что  введением марганца можно вызвать  образование аскорбиновой кислоты  в организме тех видов животных, которые обычно неспособны к выработке  этого витамина. Марганец, по-видимому, нужен и для действия витамина D (антирахитного) и B1 (антиневритного). Намечается связь между микроэлементом цинком и витамином В1. Однако наиболее интересно открытие антианемического витамина B12, недостаток которого в  организме приводит к тяжелым  формам анемии (злокачественному малокровию). Оказалось, что этот витамин —  соединение микроэлемента кобальта и сложной органической группы.  

Как известно, многие металлы, преимущественно микроэлементы, в растворах обладают ярко выраженным каталитическим действием, т. е. способны в значительной степени, в сотни  тысяч и миллионы раз, ускорять течение  химических реакций. Это каталитическое действие микроэлементы проявляют  и в живом организме, особенно тогда, когда они вступают во взаимодействие с органическими веществами, содержащими  азот. 

Максимальную каталитическую активность металлы как таковые  или, чаще, их металлоорганические (органо-минеральные) соединения приобретают, вступая в  соединения с белками. Именно такое  строение имеют многие биологические  катализаторы — ферменты. Помимо значительного  повышения активности, роль белкового  компонента заключается в придании таким соединениям, в основном ферментам, специфичности действия. 

При взаимодействии микроэлементов с белковыми компонентами ферментов образуются металлоэнзимы. Состав большой группы металлоэнзимов характеризуется наличием в них  металла в качестве стабильного  комплекса (железосодержащие ферменты — каталаза, пероксидаза, цитохромы, цитохромоксидаза и др.). 

Геохимические процессы, непрерывно протекающие в земной коре, и эволюция химического состава  организмов— процессы сопряженные. Жизнь, по В. И. Вернадскому, не составляет внешнего, случайного явления на земной поверхности, а теснейшим образом  связана со строением земной коры. 

Содержание элементов  в живом веществе пропорционально  составу среды обитания организма  с поправкой на растворимость  соединений, включающих эти элементы.  

С геохимическими провинциями  земли тесно связаны биогеохимические провинции—области, характеризующиеся  более или менее одинаковой концентрацией  одного или нескольких элементов. В  пределах биогеохимических провинций  с избыточным или недостаточным  содержанием определенных элементов  наступает своеобразная биологическая  реакция флоры и фауны данной области, что проявляется в эндемических заболеваниях растений и животных—биогеохимических  эндемиях.

Влияние основных тяжелых  металлов на растения

Кобальт 

В биосфере кобальт  преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения —  концентраторы кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней  части земной коры наблюдается резкая дифференциация кобальта — в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10-3% кобальта, в песчаниках 3·10-5, в  известняках 1·10-5. Наиболее бедны кобальтом  песчаные почвы лесных районов. В  поверхностных водах его мало, в Мировом океане его лишь 5·10-8%. Будучи слабым водным мигрантом, он легко  переходит в осадки, адсорбируясь гидроокисями марганца, глинами и  другими высокодисперсными минералами. 

Содержание кобальта в почвах определяет количество этого  элемента в составе растений данной местности, а от этого зависит  поступление кобальта в организм травоядных животных. 

Постоянно присутствуя  в тканях растений, кобальт участвует  в обменных процессах. В животном организме его содержание зависит  от его уровня в кормовых растениях  и почвах. Концентрация кобальта в  растениях пастбищ и лугов  в среднем составляет 2,2·10-5—4,5·10-5% на сухое вещество. Способность к  накоплению этого элемента у бобовых  выше, чем у злаковых и овощных  растений. В связи с высокой  способностью к концентрации кобальта морские водоросли по его содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде его значительно  меньше, чем в почвах. Кобальт  участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует  рост, развитие и продуктивность бобовых  и растений ряда других семейств. В  микродозах кобальт является необходимым  элементом для нормальной жизнедеятельности  многих растений и животных. Вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными. 

Кобальт применяют  в сельском хозяйстве как микроудобрения – удобрения, содержащие микроэлементы (В, Cu, Mn, Zn, Со и др.), т. е. вещества, потребляемые растениями в небольших количествах.  

Известкование почв снижает усвояемость растениями кобальта. Так же влияет избыток  марганца и железа в почвах; наоборот, фосфор усиливает поступление кобальта в растения. 

Применение кобальтовых  солей (сернокислого кобальта) в качестве удобрений, как оказалось, способствует ускорению созревания ячменя, повышает урожай семян красного клевера, увеличивает  содержание жира в семенах льна. Под влиянием кобальта повышается урожайность  сахарной свеклы. 

Внесение 300 г сернокислого кобальта на 1 га значительно повышает урожай винограда: вес ягод увеличивается  на 35%, сахаристость — на 14%, кислотность  снижается на 10%. 

М. Я. Школьник предлагает вносить кобальт в качестве удобрений  в следующих дозах: внесение в  почву перед посевом — 2—6 кг на 1 га; внесение в междурядье в виде подкормки — 0,5 кг на 1 га; внекорневое  питание— 0,1-процентный раствор; намачивание  семян — 0,1-процентный раствор. При  внесении кобальтовых удобрений  с самолета применяется измельченный сернокислый кобальт в дозе 1,415 кг на 1 га. 

Помимо чистых химических соединений кобальта, в качестве удобрений  могут быть также использованы продукты переработки шлаков никелевого производства и колчеданных огарков.

Молибден 

Среднее содержание молибдена в почвах составляет 0,0003%, в изверженных породах — 0,000154%, в осадочных породах —0,00024%. Больше всего молибдена находится в  болотистых почвах и в почвах тундр. Богатство почв органическими веществами обусловливает низкий окислительный  потенциал среды. 

Наиболее растворимы в воде и доступны для растений соединения Мо6 в нейтральной и  слабощелочной среде. На кислых почвах молибден мало доступен растениям, поэтому  в таких условиях сказывается  положительно внесение молибденовых удобрений. Влияние молибдена зависит от многих факторов: на кислых почвах эффект молибдена зависит от содержания подвижного алюминия (чем больше алюминия, тем выше эффект молибдена). Между  молибденом и марганцем наблюдается  обратная зависимость—избыток марганца вызывает недостаток молибдена, и, наоборот, присутствие молибдена улучшает состояние растений (льна), болеющих на кислых почвах от избытка марганца. Антагонистическая зависимость  наблюдается также между молибденом и медью (молибден вытесняет медь). 

Молибден особенно важен для бобовых растений; он концентрируется в клубеньках бобовых, способствует их образованию и росту  и стимулирует фиксацию клубеньковыми  бактериями атмосферного азота. Входя  в состав фермента нитраторедуктазы (являющейся по своему строению молибдофлавопротеином), молибден восстанавливает нитраты  у высших и низших растений и стимулирует  синтез белка в них. Поэтому в  условиях недостатка молибдена в  растениях накапливаются нитраты, одновременно уменьшаются азотистая  растворимая фракция и уровень  азотистой белковой фракции. Молибден и марганец, по-видимому, катализируют отдельные реакции, каждая из которых  влияет на концентрацию аминокислот  — промежуточных продуктов белкового  обмена. Молибден активирует реакцию, ведущую от нитратов к образованию  аминокислот, тогда как марганец, по-видимому, активирует дальнейшие фазы превращения аминокислот в белки. 

Молибден оказывает  положительное влияние не только на бобовые растения, но и на цветную  капусту, томаты, сахарную свеклу, лен  и др. Растениями-индикаторами недостатка молибдена могут быть томаты, кочанная капуста, шпинат, салат, лимоны. 

Молибден необходим  не только для процесса синтеза белков в растениях, но и для синтеза  витамина С и каротина, синтеза  и передвижения углеводов, использования  фосфора. 

Болезни молибденовой недостаточности:  

- болезнь нитевидности  цветной капусты. Выражается в  уменьшении листовой пластинки.  Поражает растения на кислых  почвах: известкование может предотвратить  появление болезни. Описана преимущественно  в Австралии и Новой Зеландии. 

- желтая пятнистость  цитрусовых (рис.1). Выражается в появлении  желтых пятен на листьях, быстро  опадающих. При этом значительно  уменьшается количество плодов. Заболевание наблюдается во Флориде  (США).