Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами
Дата публикации: 22.12.2017 2017-12-22
Статья просмотрена: 13012 раз
Библиографическое описание:
Сердюкова, А. Ф. Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами / А. Ф. Сердюкова, Д. А. Барабанщиков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 51 (185). — С. 131-135. — URL: https://moluch.ru/archive/185/47382/ (дата обращения: 11.12.2021).
Стремительная индустриализация и интенсивная сельскохозяйственная деятельность за последние несколько десятилетий привели к накоплению различных загрязняющих веществ в окружающей среде, в особенности — тяжёлых металлов. Негативные последствия загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами представляют реальную угрозу для биосферы.
Ключевые слова: тяжёлые металлы, металлоиды, почва, загрязнение, микроорганизмы, окружающая среда.
В последние десятилетия ведущим процессом, определяющим формирование эколого-геохимического состояния территории, стал техногенез. Интенсивное промышленное использование природных ресурсов вызвало существенные изменения распределения некоторых химических элементов в поверхностном слое зоны аэрации. Прежде всего это касается тяжёлых металлов, накопление высоких концентраций которых в естественной среде связано с антропогенной деятельностью. Тяжёлые металлы, как особая группа элементов, выделяются в связи с токсическим действием на живые организмы при их высоких концентрациях, значительно превышающих фоновые величины. Выбросы и сбросы техногенных объектов, с высоким содержанием тяжёлых металлов, аккумулируются в почвах, которые в значительной степени подвержены влиянию, обусловленному промышленной деятельностью человека.
Почва — это сложная и динамичная система. Она состоит из нескольких слоёв, которые различаются по своему физическому, химическому, минералогическому и биологическому характеру, на которые влияет климат и активность живых организмов. Кроме того, способствуя сохранению всех форм жизни, образующихся на земной поверхности, почва играет важную роль в защите грунтовых вод, действующих как коллекторный фильтр органических и неорганических остатков, способствуя связыванию возможных токсичных соединений [10, с. 661–670].
В последние годы, с развитием мировой экономики, как тип, так и содержание тяжёлых металлов в почве, вызванные деятельностью человека, постепенно увеличивались, что приводило к ухудшению состояния окружающей среды [6, c. 62–67; 6].
В конце XX-го века люди стали осознавать значение почвы как экологического компонента и признали необходимость поддерживать или улучшать способность почвы к выполнению присущих ей различных функций. В то же время учёные доказали, что почва не является неисчерпаемым ресурсом и если её использовать ненадлежащим образом, она может утратить свои характеристики за очень короткий промежуток времени, иногда даже без возможности регенерации [9, с. 161].
В прошлом загрязнению почвы уделялось гораздо меньше значения, чем загрязнению, например, воды и воздуха. Однако в последние годы люди стали осознавать всю серьёзность ситуации, поэтому проблеме загрязнения почвы уделяется всё больше внимания и горячо обсуждается на саммитах по охране окружающей среды во всём мире.
Загрязнение тяжёлыми металлами является чрезмерным осаждением токсичных тяжелых металлов в почве в результате деятельности человека. Загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами связано с наличием различных источников техногенных эмиссий поллютантов: промышленные объекты горно-металлургического, химического, топливно-энергетического комплекса, машиностроительные предприятия, разветвленная транспортная система и т. д. Среди тяжёлых металлов в почве часто встречаются металлы высокой биологической токсичности, такие как ртуть (Hg), кадмий (Cd), свинец (Pb), хром (Cr), мышьяк (As) и т. д. Также почву загрязняют такие металлы как цинк (Zn), медь (Cu), никель (Ni), олово (Sn), адид (V) и прочие.
В 2006–2015 гг. Росгидрометом проводились наблюдения за уровнем загрязнения почв токсикантами промышленного происхождения — тяжёлыми металлами, фтором, нефтью и нефтепродуктами, сульфатами, нитратами, бенз(а)пиреном. Основным источником загрязнения пахотных почв тяжёлыми металлами до (50 %) являются фосфорные удобрения. Наиболее опасны по степени загрязнения почв тяжёлыми металлами почвы многогумусовые, глинисто-суглинистые с щелочной реакцией среды: темно-серые лесные, черноземы и темно-каштановые — почвы, обладающие высокой аккумулятивной способностью [13, с. 118]. Геохимическая обстановка, присущая дерново-подзолистым почвам, не способствует аккумуляции тяжёлых металлов, однако в этих областях техногенная нагрузка настолько велика, что почвы не успевают «самоочищаться». Локальное загрязнение почв тяжелыми металлами связано, прежде всего, с крупными городами и промышленными центрами.
Опасность поступления в окружающую среду тяжёлых металлов определяется тем, что в отличие от органических загрязнителей, они не разрушаются, а переходят из одной формы в другую, в частности, включаются в состав солей, оксидов, металлоорганических соединений.
Интересно, что тяжёлым металлам присуще антагонистическое и синергетическое поведение. Иными словами, наличие одного тяжёлого металла в почве может повлиять на наличие другого. Например, ингибирующее действие Mn на общее количество минерализованного C антагонизировалось Cd. Медь и цинк, а также никель и кадмий конкурируют за те же мембранные носители в растениях. Напротив, сообщалось, что медь увеличивает токсичность цинка в яровом ячмене. Это означает, что взаимосвязь между тяжёлыми металлами довольно сложна. Различные виды одного и того же металла могут также взаимодействовать друг с другом. Наличие арсенита сильно подавляет поглощение арсената рисовыми растениями, растущими на загрязнённой почве [8, с. 123].
Тяжёлые металлы оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье человека по трём путям воздействия: ингаляционное, оральное и через кожу. Многие тяжёлые металлы и металлоиды настолько токсичны, что могут вызывать нежелательные последствия и серьёзные проблемы даже при очень низких концентрациях [2, c. 32]. Тяжелые металлы вызывают процесс повреждения клетки в результате окисления, так называемый окислительный стресс [8]. Что касается их токсичности, наиболее опасными тяжёлыми металлами являются As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Sn и Zn [7]. Токсичные тяжёлые металлы могут вызывать различные проблемы со здоровьем в зависимости от вида металла и его концентрации. Например, потребление неорганического мышьяка в течение длительного периода может привести к хроническому отравлению мышьяком — арсеникозу, — в результате чего повреждаются желудочно-кишечный тракт, кожа, сердце, печень. Отравление мышьяком может вызвать развитие диабета, болезни костного мозга и крови, сердечно-сосудистые, онкологические заболевания. А вот органические соединения мышьяка менее вредны для здоровья и достаточно быстро выводятся из организма.
Функционирование урбоэкосистем производит дополнительное поступление в биогеохимических циклах целого ряда опасных токсикантов, среди которых особое место занимает кадмий — элемент первого класса токсичности, который способен оказывать тератогенные, мутагенные и канцерогенные действия на организм человека. Следует отметить, что благодаря своим буферным свойствам, даже антропогенно преобразованные почвы, среди которых ведущее место занимают урбаноземы, способны депонировать кадмий в течение длительного времени, частично исключая его избыток из кругооборота.
Интоксикация солями кадмия вызывает повреждение печени и почек, приводит к снижению плотности костной ткани, к нестерпимым болям в суставах и позвоночнике. Эти симптомы известны как болезнь итай-итай («ой как больно»). При ингаляционном воздействии кадмий чрезвычайно канцерогенен.
Отравление свинцом наносит неврологический ущерб, приводит к снижению уровня IQ, внимания, к нарушению координации рук, вызывает энцефалопатию, ухудшает состояние костей, гипертонию, болезнь почек.
Воздействие метилртути, наиболее вредной формы ртути, влияет на развитие мозга, что приводит к снижению уровня IQ. Ртуть приводит к повреждению центральной нервной и желудочной систем, влияет на координацию, зрение и чувство осязания, повреждает почки, сердце, печень. Интоксикация вызывает тревогу, беспокойство, депрессивное состояние, раздражительность, тремор [4].
Отравление медью вызывает повреждение головного мозга и почек; цирроз печени, хроническую анемию, желудочное и кишечное раздражение. Никель вызывает аллергический дерматит, при ингаляционном воздействии возникает угроза рака лёгких, носа, горла, желудка. Оказывает токсическое воздействие на иммунную, репродуктивную системы, кровь, имеет нейротоксическое и генотоксическое действие, повреждает печень, вызывает потерю волос. Избыток цинка приводит к головокружению и усталости.
Некоторые тяжёлые металлы, такие как As, Cd, Hg, Pb не оказывают существенное влияние на рост растений, поскольку им не присуща какая-либо известная физиологическая функция в жизненном цикле растений, но такие металлы как Cu, Fe, Mn, Mo, Ni и Zn являются важными элементами, необходимыми для нормального роста и метаболизма растений. Но избыток этих веществ может привести к существенному отравлению растения.
Поглощение тяжёлых металлов растениями и последующее накопление вдоль пищевой цепи представляет собой потенциальную угрозу для здоровья животных и человека. Поглощение корнями растений является одним из основных путей поступления тяжёлых металлов в пищевую цепь. Поглощение и накопление тяжёлых металлов в растительной ткани зависит от многих факторов: температуры, влажности, органического вещества, PH, питательных веществ и т. д. [5].
Загрязнение грунта сопряжено также с ухудшением качества воды, потому что тяжёлые металлы могут попадать в питьевую воду и становиться источником заболеваний для человека и животных.
Накопление тяжёлых металлов в растениях происходит также в зависимости от вида растений. Повышенный уровень свинца в почве может снизить её продуктивность, а очень низкая концентрация может ингибировать некоторые жизненно важные процессы, такие как фотосинтез, митоз и водопоглощение [3]. Тяжёлые металлы потенциально токсичны для растений, их концентрация приводит к хлорозу, слабому росту растений, снижению урожайности и может даже сопровождаться снижением поглощения питательных веществ, нарушением в метаболизме растений и снижением способности фиксировать молекулярный азот в бобовых растениях.
Повышение общего содержания тяжёлых металлов в почве сопряжено с увеличением относительного содержания более подвижных соединений металлов, что свидетельствует о снижении способности почвы защищать сопредельные среды от загрязнения.
Загрязнение металлами влияет на фауну и микрофауну почвы. При повреждении лесного покрова в лесной подстилке падает численность насекомых (клещей, бескрылых насекомых), при этом количество пауков и многоножек может оставаться стабильным. Страдают и почвенные беспозвоночные, часто наблюдается гибель дождевых червей. Дикие виды древесных растений на загрязнённых территориях формируют листовую пластинку меньшей площади, большей толщины, с меньшим содержанием хлорофиллов, кратно снижается в них активность клеточных ферментов.
Как уже было отмечено, в загрязнённых металлами почвах существенно меняются важнейшие микробиологические и химические свойства. Ухудшается состояние микробоценоза. Концентрации тяжёлых металлов оказывают влияние на биологическую активность почвенных микроорганизмов. Загрязнение почвы тяжёлыми металлами оказывает давление на чувствительные микроорганизмы, изменяя разнообразие почвенной микрофлоры, которая представляет собой трофические группы микроорганизмов. Самую высокую чувствительность к загрязнению тяжёлыми металлами проявляют олиготрофные бактерии, что указывает на то, что ограничение бактериального сообщества более выражено в почвах, состояние которых неудовлетворительное по органическому веществу и содержанию питательных веществ.
Почвенные микроорганизмы, как свободноживущие, так и симбиотические почвенные микробы в ризосфере растений, растущих на загрязнённых тяжёлыми металлами почвах, могут увеличить производство биомассы растений и усилить процесс фиторемедиации. Однако тяжёлые металлы влияют на рост, морфологию и метаболизм почвенных микроорганизмов через функциональные нарушения, денатурацию белка или разрушение целостности клеточных мембран. Почвенные микроорганизмы необходимы для разложения органического вещества почвы; любое уменьшение микробного разнообразия или обилия может отрицательно повлиять на способность растений поглощать питательные вещества из почвы. Повышенные уровни тяжёлых металлов в почвах оказывают значительное влияние на численность популяции и общую активность почвенных микробных сообществ. Несколько исследований, в зависимости от используемых методов изоляции, показали, что загрязнение тяжелыми металлами привело к сдвигам в микробных популяциях.
Также была замечена корреляция между повышенными уровнями никеля и хрома в почве и амплитудой землетрясений. Землетрясения связаны с конкретными геологическими особенностями и границами плиток.
Высокий уровень техногенной нагрузки на геологическую среду обусловил комплексные изменения геохимических условий. Эти изменения привели к устойчивому ухудшению природной обстановки и получили трансграничный характер. Техногенез вызвал значительные изменения элементного состава компонентов биосферы. Наиболее ярко это проявляется в загрязнении почвы тяжёлыми металлами, которые являются наиболее опасными токсикантами с экоцидными свойствами.
Загрязнение тяжёлыми металлами может повлиять на всю окружающую среду, но серьёзная экологическая проблема и самые длительные последствия человеческой деятельности — загрязнение почв. Накопление тяжёлых металлов в почве происходит в результате добычи, плавки металлических руд, промышленных выбросов и применения пестицидов, гербицидов и удобрений. Металлы, такие как Cd, Cu, Pb, Zn и металлоиды (например, As), считаются загрязнителями окружающей среды ввиду их стойкости, биоаккумулятивности и способности оказывать серьёзное негативное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.
Источник
Токсичность тяжелых металлов для почв
В последнее время все больший интерес представляет изучение токсического воздействия тяжелых металлов на растения, животных и людей в связи с катастрофически возросшим уровнем загрязнения окружающей среды. Эта проблема особенно актуальна для Казахстана. Металлодобывающие индустриальные комплексы (РЬ, Zn в Ащисае и Лениногорске, Сu в Балхаше, Алмалыке, Жезказгане, Лениногорске, Pb используемый при обработке фосфора, в Таразе и т.д.), были построены в регионах с плодородными почвами и открытыми источниками воды для ирригации. В результате, твердые металлы в высоких концентрациях обнаружены в сточных водах, почве, заброшенных рудниках, городских свалках и отстойниках. Значительная площадь земель, пригодных для использования в сельском хозяйстве, также загрязнена твердыми металлами до крайней степени и их эксплуатация представляется небезопасной.
Среди известных в настоящее время технологий для очистки почв, наиболее перспективной представляется фито очистка (Phytoremediation), где используется природная способность растений аккумулировать в клеточных органеллах корня, стебля и листьев ионы ТМ в виде различных нетоксичных для растений комплексов [1]. Использовать гипераккумуляторы для очистки почвы и воды предложили еще в начале 80-х годов. Однако до практики было еще далеко — во-первых, потому, что биомасса этих растений была невелика, а во-вторых, потому, что не была разработана технология их выращивания.
Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных — близких родственников капусты и горчицы; один из видов горчицы, называемой индийской, или сарептской, оказался весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля.
Повышенный интерес к этой новой технологии объясняется еще тем, что растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, с высокой эффективностью могут быть использованы на больших площадях. Это в свою очередь требует, чтобы используемые для очистки загрязненных почв растения, помимо способности к гипераккумуляции ТМ, были приспособлены к конкретным условиям произрастания [2]. Последнее обстоятельство особенно важно для Казахстана с преобладающим резко континентальным климатом и выраженным отрицательным антропогенным воздействием.
К настоящему времени около 400 видов растений идентифицированы как аккумуляторы токсичных металлов. Некоторые виды растений имеют эволюционно возникшие устойчивые формы, которые могут выживать и процветать на почвах с повышенной концентрацией тяжелых металлов. Существующие естественные растения-аккумуляторы, которые могут накапливать большое количество тяжелых металлов, чаще всего, медленно растут и имеют незначительную биомассу. Для растений, которые можно использовать для фиторемедиации, требуется быстро увеличивать свою биомассу с одновременным поглощением большого количества металлов (как минимум 1-3 % от своего сухого веса).
В связи с этим необходим широкий поиск растений-аккумуляторов ТМ в популяциях злаков, сорняков, хорошо растущих в загрязненных областях Казахстана и разработка технологий для десорбции токсичных металлов из почвы и их аккумуляции в вегетативных органах растений. В последнее время интенсивно проводятся исследования с целью расширения географии использования в сельскохозяйственной практике и медицине, однолетние растения семейства амарантовых (Amaranthaceae). Травянистые растения с мощной корневой системой и надземной частью, с интенсивным ростом и высокой продуктивностью биомассы. Фото ассимиляционный метаболизм С4 позволяет амаранту более эффективно использовать влагу и адаптироваться к условиям засоления и засухе [3]. Виды амаранта широко распространены во многих странах мира, в том числе и в Казахстане. На сегодняшний день амарант характеризуется, как перспективная кормовая культура, с ценными народнохозяйственными признаками.
Тяжелые металлы оказывают различное действие на растения. Они могут выступать в роли микроэлементов, без которых растения не способны существовать или как тяжелые металлы, оказывая губительное действие на живое. К группе тяжелых металлов относится ряд химических элементов, с атомной массой более 40. Не обязательно все тяжелые металлы являются токсичными, так как в эту группу попадают Cu, Zn, Mo, Co, Mn, Fe, т.е. элементы, положительное биологическое значение которых давно обнаружено и доказано. Тяжелые металлы делятся на несколько групп:
1.Очень фототоксичными элементами те, которые оказывают вредное действие на тест-организмы при концентрациях в растворе до 1мг/л. К таким элементам относятся Ag + , Be 2+ , Hg 2+ , Sn 2+ и, вероятно, Сo 2+ , Ni 2+ ,Pb 2+ и CrO4 2- .
2.Умереннотокчиными считаются те элементы, которые оказывают ингибирующее действие при концентрациях от 1 до 100мг/л. Эта группа включает арсенаты, бораты, броматы, хлораты, пермангонаты, молебдаты, антимониты, селенаты, а также ионы As, Se, Al 3+ , Ba, Cd, Cr, Fe 3+ , Mn 2+ , Zn 2+ , и др.
3.Слаботоксичные – те, которые показывают отрицательный эффект при уровнях более 1800мг/л: Cl — , Br 2+ , I + , Ca 2+ , Mg 2+ , K + , Na + , Rb, Sr, Li, NO3 — , SO4 2- и др.
В отдельную группу следует включить радиоактивные изотопы многих элементов и их продукты деления, так как эти элементы представляют немалую опасность для окружающей среды и их поведение в почве и растениях наименее изучено.
Если говорить о тяжелых металлах, как о микроэлементах, то обнаруживается целый ряд положительных сторон. Микроэлементы представляют собой группу незаменимых минеральных элементов, выполняющих важные функции в жизнедеятельности растительных организмов. Их содержание в растениях составляет малые количества. Микроэлементы принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, фотосинтезе, азотном и углеводном обменах, входят в состав активных центров ферментов и витаминов, повышают устойчивость растений к болезням и неблагоприятным условиям внешней среды. Недостаток микроэлементов вызывает ряд заболеваний и нередко приводит к гибели растений.
Содержание минеральных элементов в растениях значительно варьируется в зависимости от следующих причин:
1) доступности и концентрации минеральных соединений в среде (почва, питательные растворы);
2) уровня кислотности среды;
3) условий влажности, температуры, аэрации в зоне корней;
4) возраста растений и анализируемого органа. Зависимость относительно содержания того или иного минерального элемента в растении от уровня его доступности в питательной среде имеет форму кривой насыщения [4].
Важный фактор, определяющий доступность минеральных элементов почвы для растений — это кислотность почвенного раствора. С помощью корневых выделений растения активно воздействуют на тот субстрат, на котором растут. Они могут изменять ионный состав и кислотность почвы, во-первых, из-за различных относительных скоростей поглощения анионов и катионов. Наиболее сильно в этом отношении влияют источники азота: в условиях преимущественного поглощения нитратов корнями pH почвы смещается в щелочную сторону, при поглощении аммония наблюдается подкисление. Во-вторых, из-за выделения в среду образовавшихся при дыхании анионов HCO3 -2 , которые существенны для уравновешивания поглощенных анионов (в частности NO3), для увеличения подвижности фосфора. В-третьих, с помощью активного транспорта протонов клетками поверхности корня наружу, причем выделяемые протоны – активные участники обменных процессов в почве. В-четвертых, выделениями неорганических соединений калия, фосфорной кислоты (бобовые, гречиха, горчица) и др. В-пятых, выделениями органических, которые могут иметь различную кислотность сами по себе (например, органические кислоты) и в результате использования их микрофлорой ризосферы. Корни растений выделяют значительные количества органических соединений (сахара, органические и аминокислоты, витамины и др.).
К числу интересных растений универсального использования относятся виды рода AmaranthusL., которое признаны Американской Академией Наук наиболее перспективной культурой XXI века. Амарант в различных странах используется для пищевых (зерно, молодые листья), кормовых (зеленый корм для свиней, силос для всех видов скота и птицы) и технических (масло) целей. Высокое содержание белка с адекватным балансом незаменимых аминокислот, витаминов, жиров, крахмала и минеральных солей делает семена амаранта важным элементом в питании людей. По содержанию белков, имеющих в своем составе лизин, и питательной ценности Amaranthuscruentus и другие культурные виды 1,5-2 раза превосходят подсолнечник, кукурузу и другие традиционные культуры.
Виды рода A.lividusL., A.retroflexusL., A.blitum – являются завезенными; A.blitoidusL., A.lividusL., A.albusL., A.blitumL., AretroflexusL. – известны как широко распространенные сорняки; A.panicylatus, A.caudatus, A.tricolor – разводятся как декоративные растения. Важными достоинствами амаранта являются его высокая ритмика роста (особенно при повышенной температуре и солнечной погоде) за счет этого амарант может успешно конкурировать с сорняками, а также его неприхотливость к почвам (за исключением кислых), высокая засухоустойчивость и солеустойчивость, устойчивость к болезням и вредителям, пластичность, легкая адаптируемость к условиям обитания. Было показано, что листья A.tricolorпри pH 6,4 накапливает Al до 562мг/кг почвы. Алюминий, однако, не является необходимым для роста растений, но он считается третьим наиболее распространенным элементом в почве. Были изучены механизмы накопления меди и стронция корнями амаранта, а также накопления As, Cu, Ni, Mn, Zn и Fe в листьях Amaranthushybrids.
Поглощение ионов из почвы или питательного раствора корневыми системами осуществляется разными путями, от которых зависит вероятность поступления иона непосредственно в цитоплазму клеток и скорость его перемещения по тканям и органам растений.
Иммобилизация тяжелых металлов в корневой системе может происходить за счет не метаболического необратимого связывания их ограниченным числом участков, расположенных на поверхности клеточной стенки и вдоль симпласта корней [5]. С одной стороны, необратимое связывание предотвращает передвижение части токсичных ионов по клеткам и тканям растения, с другой — этот процесс способствует установлению концентрационного градиента и позволяет в дальнейшем аккумулировать элемент посредством диффузии.
В случае обратимого связывания иона компонентами клеточной стенки путем обменной физико-химической сорбции, он может пассивно диффундировать в симпласт при наличии концентрационного градиента, что обеспечивает транспорт иона по растению. Участки, задействованные в обменной адсорбции, не обладают селективностью. С их участием поступают Cd, Zn, Сu, Hg и другие металлы. Накопление ионов металлов в свободном пространстве клеточной стенки определяется величиной ионообменного коэффициента, которая в значительной степени зависит от количества гистидильных групп белков, а также карбоксильных групп, размещенных на поверхности пектинов. Обменно-связанная фракция ионов металла легко вымывается из корневых систем растений при замене питательного раствора на не содержащий данный элемент. Проникая через клеточную стенку, одна часть ионов связывается с реактивными компонентами апопласта, другая поступает в цито золь. В случае повышенных концентраций тяжелых металлов в питательной среде указанные механизмы не могут полностью исключить поступление ионов через плазматическую мембрану в цито золь. Транспорт молекул через мембраны осуществляется разными путями в зависимости от химических свойств элементов и их биологической значимости.
Транспортные системы биологических мембран принято разделять на системы ионных каналов и переносчиков. Ионные каналы селективный, они катализируют диссипативный транспорт [6]. Переносчики не обладают высокой избирательностью. При этом вещество соединяется с переносчиком в участке связывания и транспортируется через мембрану, где освобождается в результате конформационных перестроек белка-переносчика. Транспорт ионов часто осуществляется не одним, а системой последовательных переносчиков.
Поступившие в цитоплазму ионы могут связываться там с биомолекулами. В этом случае хелатный комплекс либо выводится из клетки, либо аккумулируется в ней (чаще всего в вакуолях). Аккумуляция токсичных ионов в вакуолях в виде малоподвижных соединений в большей мере характерна для растений, толерантных к тяжелым металлам.
Оставшаяся в цитозоле в виде свободных ионов или растворимых комплексов фракция симпатическим или транс клеточным путем перемещается из корня в побег и далее — в листья растений по заряженным участкам ксилемы, либо увлекается с транспирационным потоком воды. Приведенные выше данные показывают, что не все поглощенные растением ионы активно влияют на его метаболизм. Часть токсичных ионов оказывается прочно связанной с реакционноспособными участками на поверхности клеточной стенки и в апопласте, а проникая через плазмалемму — с внутриклеточными биомолекулами. Какая доля ионов данного металла окажется в свободном виде, а какая — связанной с органическими молекулами, зависит от нуклеофильнойлиганда, pH среды и химических свойств элемента. Стабильность комплексов металлов уменьшается в случае отклонения pH среды от нейтральной реакции: при низких pH в силу конкуренции протона с ионом металла за центры связывания в молекулах, а при высоких — по причине конкуренции гидроксильной группы с лигандом. Важно также учитывать, что многозарядные ионы образуют более прочные комплексы, чем однозарядные, обладающие меньшей плотностью заряда [7].
Таким образом, концентрация поступившего в растение иона сложным образом зависит от качественного и количественного ионного состава среды. Увеличение или снижение числа поступающих в растение ионов определенного элемента в присутствии других ионов или молекул может обусловить неаддитивный биологический эффект в случае сочетанного действия тяжелых металлов и тяжелых естественных радионуклидов.
Соотношение концентраций элемента, находящегося в растении в прочно связанном и подвижном состоянии, обусловливает, очевидно, не только степень влияния данного иона на метаболизм, но также определяет клеточные структуры и связанные с их функцией процессы, подверженные максимальному воздействию со стороны десиканта. Прочно связанные с биомолекулами ионы металлов могут депонироваться в определенных органах, что ограничивает их транспорт и влияние на жизнедеятельность растения. Этот процесс, относимый к механизмам детоксикации, существенно снижает биологическую эффективность тяжелых металлов. Однако следует иметь ввиду, что тяжелые естественные радионуклиды являются не только химически токсичными элементами, но и излучателями. Поэтому, если радионуклид поступил в организм растений и депонировался в прочно связанном состоянии в определенной ткани, он в меньшей мере будет действовать как химический токсикант, нежели как излучатель [8].
Усиление техногенного воздействия на окружающую среду требует детальных исследований поведения загрязняющих веществ в компонентах биосферы. Большую сложность представляет изучение поведения соединений тяжелых металлов техногенного происхождения в почвах.
Наличие разных форм нахождения тяжелых металлов, отличающихся как по подвижности и биологической доступности, так и по механизмам из закрепления в почве, предполагает их более детальное изучение. Для того, чтобы иметь возможность обсуждения проблем изучения форм нахождения тяжелых металлов в почве, необходимо провести определение понятий, которые мы будем использовать в дальнейшем.
В отечественной литературе чаще всего используют такое понятие, как «формы соединений химических элементов в почвах». В почвоведении и агрохимии применение понятия «формы соединений» вполне уместно, когда речь идет о химических элементах, присутствующих в почве в макроколичествах. Нахождение тяжелых металлов в почвах между тем коренным образом отличается от нахождения тяжелых металлов в природных месторождениях. Хотя почвы и наследуют содержание элементов от почвообразующих пород, дальнейшая их судьба существенно меняется. Происходит перераспределение тяжелых металлов между теми почвенными компонентами, которые обладают большим сродством к катионам металлов. Как показывают исследования, проводящийся в течение длительного времени разными авторами, в почве существует набор реакционных центров, способных поглощать ионы тяжелых металлов с образованием связей разной прочности. Традиционные способы выделения из почвы форм соединений тяжелых металлов не отличаются высокой избирательностью именно из-за возможного наличия в почве реакционных центров, близких по своей энергии, но относящихся к разным почвенным компонентам.
Если состав соединения тяжелых металлов с каким-либо почвенным компонентом можно точно идентифицировать, возникает проблема его количественного определения. К сожалению, традиционные аналитические методы, применяемые в почвоведении, часто не обладают достаточной селективностью. Определяемые с их помощью количества «форм соединений ТМ» могут сильно отличаться от их истинного содержания в почве в ту или иную сторону. Например, для оценки содержания тяжелых металлов, связанных с органическим веществом, часто применяют вытяжки из почв с использованием раствора Н2О2 при pH 2. Полученные результаты могут быть завышенными, так как этот раствор способен оказывать сильное воздействие и на минеральные почвенные компоненты, переводя в раствор дополнительное количество ионов тяжелых металлов [9].
Имеется несколько факторов, от которых зависит включение тяжелых металлов в естественный круговорот вещества и определяющих количество разных форм нахождения тяжелых металлов в почвах.
- Многокомпонентное и многофазное строение почвы. Подбирается такой экстрагент, который либо оказывает воздействие лишь на определенный почвенный компонент («селективный» экстрагент), либо такой экстр агент, который способен переводить в раствор ионы тяжелых металлов, связанные с различными почвенными компонентами (экстр агент «широкого спектра действия»), но обладающие близкой степенью подвижности в почве.
- Наличие в почве тех же самых химических элементов и соединений, которые могут входить в состав техногенных выбросов. Не всегда возможным является сравнение содержания тяжелых металлов в загрязненной почве и в ее фоновом аналоге. Для решения проблемы необходимо подобрать такие методы выделения форм соединений тяжелых металлов, которые позволили бы оценить вклад техногенных компонентов в общее содержание тяжелых металлов в почве, то есть выделить природную и техногенную составляющие.
- Возможность одновременного протекания различных реакций с участием разных почвенных компонентов и компонентов техногенных выбросов. При выборе методов изучения почвенных соединений тяжелых металлов необходимо учитывать, как свойства почв, подверженных техногенному воздействию, так и свойства загрязняющих почву веществ.
- Непостоянство воздействия, изменение интенсивности и вещественного состава техногенных выбросов во времени, а также изменения пространственного распределения загрязняющих веществ.
Можно назвать следующие формы соединений тяжелых металлов, выделяемые из почвы: 1) переходящие в водную вытяжку; 2) обменные катионы; 3) непрочно специфически сорбированные различными почвенными компонентами; 4) труднорастворимые соединения; 5) связанные с органическим веществом; 6) связанные с оксидами и гидроксидами железа и марганца; 7) связанные с алюмосиликатами .
Таким образом, по результатам исследования предлагается лабораторный регламент технологии очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, в частности цинком и кадмием с использованием двух видов амаранта растений-аккумуляторов Amaranthuspaniculatus, Amaranthustricolor.
Источник