Ляшенко Г.М. Загрязнение почв и растений свинцом в придорожных агроценозах чернозема обыкновенного приазовской зоны ростовской области

Подождите немного. Документ загружается.

концентрациям тяжелых металлов в растениях разработаны гораздо слабее

(Ильин В.Б., 1991). Так, анализ литературных данных свидетельствует,

что пределы нормальных концентраций элементов, указанные разными

авторами, не совпадают. Причины этого связаны с видоспецифичностью

металлоаккумуляции, различиями в свойствах почв местообитаний,

погрешностями пробоотбора, подготовки образцов к элементному анализу,

аналитических методик и др. (Матвеев Н.М., 1997).

За норму содержания тяжелых металлов приняты их концентрации,

способствующие осуществлению нормальной регуляции функций у растений

(Второва В.Н., 1993). Показано, что диапазон нормальных концентраций

менее широк у элементов, легко проникающих в метаболически важные

центры растений.

Исследователи часто используют для сравнительного анализа так

называемые "критические количества" и "фитотоксичные содержания"

(Лукина Н.В., 1993; Тарабрин В.П., 1980; Verloo М., 1982 и др.). Ведется

поиск нормативных показателей для растительных продуктов питания и

кормов. Например, были предложены нормальные, допустимые и критические

количества свинца в продуктах питания растительного происхождения (Devis

R.D., 1977; MacNicol, 1985), допустимые остаточные количества (ДОК) в

пищевых продуктах (С. Я. Найштейн, 1987), ПДК в растительных кормах

(Временный максимальный ..., 1987).

1.3. Сорбция и миграция свинца по почвенному профилю

Среди всего многообразия природных объектов особое место занимает

почва. Она является своеобразным депонентом, способным накапливать

поступающие на нее загрязняющие вещества. В результате подобных

изменений почва сама может стать токсичной для роста и развития растений,

источником загрязнения промышленными выбросами и продуктами их

трансформации других компонентов биоты, поверхностных и грунтовых вод,

припочвенного слоя воздуха (Влияние атмосферного загрязнения ..., 1990)

Вопросам действия ТМ на свойства почвы посвятили свои работы Ю. Е.

Сает, С. Ф. Покровская и др. (Алексеев Ю.В., 1987; Лебедева Л.А., 1994;

Покровская С.Ф., 1986; Сает Ю.Е., 1990). Они утверждают, что тяжелые

металлы вызывают нежелательные изменения в свойствах почв, которые

выражаются в нарушении деятельности почвенных микроорганизмов,

замедлении гумификации растительных остатков, ухудшении почвенной

структуры и др. В подпороговых концентрациях тяжелые металлы изменяют

морфологические свойства и приводят к аномалии в клетках микроорганизмов, в

которых нарушаются также процессы метаболизма. Снижается общая

численность микроорганизмов, а значит, и активность ряда биохимических

процессов, осуществляемых микроорганизмами. Ингибируется

азотфиксирующая, нитрифицирующая активность почвы, снижается ин-

тенсивность выделения углекислоты. Все это отрицательно сказывается на плодо-

родии почвы. Тяжелые металлы ослабляют и разрушают связи гумусового веще-

ства с минеральной частью почвы. В зонах сильного техногенного загрязнения

образуются совершенно новые антропогенные почвы с измененными свойствами

(Лебедева Л.А., 1994).

Аэрозольные частицы поступают в почвы непосредственно — за счет

процессов осаждения или с дождевыми стоками - и косвенно - при опадании

листьев и ветвей деревьев.

Концентрация свинца в верхних горизонтах минеральных почв в

незагрязненных районах («фоновый» уровень) обычно изменяется в пределах

от 10 до 20 мкг на 1 г сухой почвы (Х. Уильям Смит, 1988).

В почвах Ростовской области - для чернозема характерно содержание

общего Pb в 0,37-2,3710-3 % (в зависимости от гранулометрического

состава, содержания гумуса) (Виноградов А. П.,1962).

Предельно допустимая концентрация свинца составляет 6,0 мг/кг для

подвижных форм и 32,0 мг/кг для валовых форм (ГН 2.1.7.020-94).

Непосредственно для почв Ростовской области В.Е. Закруткиным и Р.П.

Шкафенко (1996), определен фон Pb: для черноземов – 21 мг/кг. Что касается

подвижных форм элемента, то их количество варьирует от 0,3 до 0,9 мг/кг.

Таким образом, содержание свинца в почвах Ростовской области не

превышает предельно допустимую концентрацию. Локальные загрязнения

(по данным этих авторов), интенсивностью до 1,5-2 ПДК, приурочены к

крупным автодорогам, складам ГСМ и отрицательным формам рельефа.

Промышленно-незагрязненные почвы наследуют содержание тяжелых

металлов, главным образом, от почвообразующей породы. При этом

направленность процесса почвообразования определяет распределение ТМ в

почвенной толще. Так, например, в слабодифференцированных почвах

содержание ТМ меняется незначительно, лишь иногда наблюдается некоторое

накопление металлов в самом верхнем горизонте, особенно наиболее

гумусированных почв. В почвах с эллювиально-иллювиальным профилем

обычно обнаруживается два максимума скопления ТМ - в гумусовом и

иллювиальном горизонтах.

Природные закономерности внутрипочвенного распределения ТМ

нарушаются при их дополнительном поступлении на поверхность почв. В

целинных загрязненных почвах максимальное содержание ТМ наблюдается

лишь в их самом верхнем слое (0-5 см); тогда как в пахотных почвах - в

пахотном слое (0 - 20 или 0-30 см) ( Ильин В. Б, 1989).

Изучение техногенного воздействия крупных промышленных городов на

содержание тяжелых металлов показало, что аккумуляция тяжелых металлов

происходит также преимущественно в верхнем 0 - 5 см слое почв. Это

подтверждается исследованиями (Байдина Н. Л., 1995; Тютюнник Ю. Г., 1992).

Аналогичное распределение ТМ (с резко выраженной аккумуляцией в

верхней части профиля) для техногенно-загрязненных почв автоморфного ряда

наблюдали и другие исследователи (Серебренникова Л.Н., Обухов А.И.,1982;

Beavington F., 1973). Что касается подвижных соединений ТМ, то заметно не

только их наличие в гумусовом горизонте почв, но и тенденция к передвижению

в нижележащие слои почвенного профиля.

Процесс выноса ТМ за пределы профиля почв, даже сравнительно

хорошо промачиваемых, идет крайне медленно. По миграционной способности

ТМ образуют следующий ряд: Zn > Со > Си > РЬ. Для того чтобы в

гумусовом горизонте содержание каждого из этих элементов уменьшалось на

10% при промывании водой (рН = 4,2), потребуется 9, 20, 120 и 200 лет

соответственно (Tyler G., 1978).

Установлено, что для пространственного распределения ТМ в почвах

характерна очень высокая вариабельность (коэффициент варьирования равен 30

— 70%, иногда достигает 120% и более), а значит минимальные и

максимальные уровни содержания ТМ в почвах сильно различаются (Обухов

А.И., 1983).

Различные почвы по-разному аккумулируют ТМ. М.М. Овчаренко, Г.А.

Графская, И. А. Шильников (1996) пришли к заключению о том, что в

наибольшей степени отрицательные действия ТМ проявляются в почвах легкого

гранулометрического состава, где процессы их миграции выше, чем в тяжелых.

Обычно сопротивляемость некислой тяжелой почвы к ТМ с высоким

содержанием органического вещества в несколько раз выше, чем легкой

песчаной почвы. В нейтральных почвах с высоким содержанием гумуса ТМ

переходят в неподвижное состояние и в растения почти не поступают.

Распределение Pb по профилю характеризуется слабой аккумуляцией в

гумусовом горизонте. В отдельных случаях наблюдается повышение

концентрации свинца в переходной части профиля на щелочном барьере.

На органическое вещество почв тяжелые металлы могут оказывать

влияние не только прямое, выражающиеся во взаимодействии с веществом

почвы, но и косвенное, влияя на изменение состава и продуктивности

растительного ценоза, почвенной биоты.

Взаимодействие между гуминовыми веществами и металлами ведет к

изменению состава химической части почв, что неизбежно влечет за собой и

изменение физических параметров. Так, М. П. Федорищак (1978) отмечает,

что отличительная черта техногенно-загрязненных почв – значительная

потеря структурности, что объясняется уменьшением количества гумуса, что

в свою очередь происходит из-за подавленности биологических процессов

почвы токсическим действием повышенной концентрации ТМ.

Большинство исследователей отмечают негативное влияние ТМ на

органику почвы. Выявлено достоверное уменьшение содержания

водорастворимых органических веществ в загрязненных почвах (Гришина

Л.А., 1990), что объясняется снижением биологической активности,

замедлением процессов деструкции растительных остатков, закреплением

углеводов загрязнителями. Что касается фракционного состава, то под

воздействием пылевых выбросов, содержащих ТМ происходит снижение

органического углерода гуминовых кислот и углерода фульвокислот, что

также свидетельствует о деградации почв.

Влияние тяжелых металлов на органическое вещество почв не

вызывает сомнения. Как правило, оно ведет к деградации почвы, особенно

это справедливо для почв маломощных, малогумусных. Почвы с большим

запасом органического вещества, тяжелым гранулометрическим составом,

подвержены стрессогенным воздействиям в гораздо меньшей степени.

Проанализировав литературные источники, становится ясно, что почвы

являются важным стоком различных загрязняющих веществ из атмосферного

воздуха. Наиболее критическим явлением, подтверждающим этот факт,

является накопление аэрозолей, содержащих свинец в почвенном гумусовом

слое. Значительное количество свинца, осаждающегося на подстилающую

поверхность, аккумулируется в верхнем слое почв, содержащем органический

материал. Почва играет важную роль в процессах выведения свинца из

атмосферы в районах, находящихся на незначительном расстоянии от

источников их эмиссии в атмосферный воздух.

1.4. Механизмы воздействия свинца на растения

Ряд исследователей указывают на негативное действие тяжелых металлов

на растения, это подтверждается работами М.С. Соколова (1995), Ю.В. Алексеева

(1987) и др. Так ТМ замещают исходный металл фермента, снижая тем самым

его каталитические способности. На субклеточном уровне влияние ТМ

выражается в нарушении функций клеточных мембран и транспорта ионов, а

также в разрушении митохондрий и хлоропластов. Вступая в

труднорастворимые соединения с фосфатами, ТМ вызывают признаки

фосфорного голодания растений. ТМ влияют и на рост растений, в большей

степени на рост корней (Алексеев Ю.В., 1987; Соколов М.С., 1995).

Свинец является характерным фитотоксикантом, проявляющий признаки

токсичности даже при низком содержании его в растении (Безель В.С.,

Жуйкова Т.В., 1998). Поверхность растения загрязняется аэрозолями,

содержащими различные микроэлементы (Селедец В.П., 2000), и это может

влиять на рост патогенов листьев.

Эти аэрозоли прилипают к растению. Свинец остается в основном как

поверхностное отложение или верхнее аэрозольное покрытие на поверхности

растения (Schuck Е.А., 1970).

Исследования ряда авторов показали, что если на поверхность растения

действуют нерастворимые соли свинца, они, возможно, остаются на внешней

стороне эпидермиса (Smith W.H., 1971). Если они выпадают в растворимом

виде, т.е. PbClBr, или становятся растворимыми после воздействия, они,

вероятно, попадают в растение через устьица и другие отверстия

(Дуглас П. Ормрод, 1988).

Содержание свинца в сельскохозяйственных культурах подвержено

существенным вариациям. Зерновые, зернобобовые и рис довольно часто

загрязнены свинцом сверх гигиенической нормы (ПДК по зерну установлена

на уровне 0,5 мг/кг) (ГН 2.1.7.020-94). Загрязнения овощей и фруктов

локальны и единичны; в кормовых травах количество Pb не превосходит

приводимых в литературе средних значений: 0,4-2,1 мг/кг (ПДК – 5,0 мг/кг).

(Закруткин В.Е., 1996). Этими же авторами разработана методика

определения региональной ПДК, согласно которой для Ростовской области

рекомендованы следующие величины: для каштановой почвы – 35 мг/кг и

черноземов – 29 мг/кг (для почв, занятых под ячменем).

Концентрация свинца в цветах и плодах много ниже, чем в остальных

частях растения, кроме того, она очень слабо зависит от изменений внешней

концентрации свинца. Концентрация свинца в корнях и рост новых побегов

также мало зависит от воздействия аэрозолей, содержащих свинец. В одном

исследовании сообщается, что в съедобной части моркови (Daucus carota),

кукурузы (Zea mays), картофеля (Solanum tuberosum) и томата (Lycopersicum

esculentum), содержание свинца было меньше, чем в других частях, а у салата

посевного (Lactuca sativa) больше всего свинца содержится в листьях. Капуста

кочанная (Brassica oleracea, var. capitata) содержит свинец только в наружных

листьях, а внутри капустного кочана свинца обнаружено не было (Motto H.L.,

1970).

В работе Литтла (Little P., 1973) исследовалась возможность смыва с

листьев выпавшего из атмосферы свинца. Большая часть свинца удалялась, но

его количество варьировало в зависимости от вида растения. При этом имеет

значение структура кутикулы листа, адсорбирующая способность листьев и

поглощение из почвы. Обычно не менее 50% свинца может удаляться простым

смыванием водой, а с поверхности плодов томатов удалялось 80% свинца.

После обработки растений аэрозолем, содержащим PbBrCl, весь свинец может

быть смыт хлороформом или слабой кислотой, что указывает на

поверхностную локализацию этого соединения свинца. Физиологические и

видовые особенности культур также во многом определяют накопление

металлов растениями и распределение их по органам (Власюк П. А., 1956).

Нормальные концентрации Pb, в растительной ткани считаются следующие:

0,1-5,0 мг/кг и предположительно максимальными: 10 мг/кг сухой массы

(Пейве Я.В., 1971).

Известно что, загрязнение почв и воздуха ухудшает условия роста и

развития растений и снижет урожайность сельскохозяйственных угодий.

Также известно, что из-за низкого содержания ТМ, наступает торможение

метаболизма растений, что вызвано нарушением фундаментальных

биологических процессов, таких как фотосинтез, рост, митоз, поглощение

воды и т.п. (А. Кабата-Пендиас Х. Пендиас, 1989; Чернавина И.А., 1970).

Вероятно, противоречивость литературных данных обусловлена тем,

что поглощение тяжелых металлов сильно варьирует в зависимости от

формы нахождения металла, его концентрации в почвах и свойств самой

почвы. Так, например, почвенный свинец оказывает незначительное

воздействие на концентрацию его в растениях. Только 0,003-0,005% Pb

способны извлечь растения из почвы (Wilson Cline, 1966) и только около 3%

Pb, содержащегося в корнях, перемещается в стебель (Zimdahl R. L, 1975). Но

переносимый по воздуху свинец (главный источник свинцовых загрязнений)

может легко поглощаться растениями через листву (Iserman, 1977).

Что касается свойств почв, то они также оказывают огромное значение

на поглощение металлов растениями. Поступление свинца в растения идет

более интенсивно на кислой дерново-подзолистой почве, а наименьшее оно

на черноземе. По степени подвижности свинца почвы можно

проранжировать следующим образом: черноземы южные < черноземы

типичные < дерново-подзолистая окультуренная < дерново-подзолистая

кислая (Зырин Н.Г., 1985).

Наименьшее поступление металлов в растения характерно для

чернозема и торфянистых почв. Инактивирующее свойство этих почв

связано с образованием устойчивых комплексных соединений с

органическим веществом, а также с образованием труднорастворимых

соединений, возможно карбонатов, бикарбонатов, фосфатов и гидрооксидов.

Эти реакции обуславливает высокое содержание органического вещества

гуматного характера, большая емкость поглощения, нейтральная реакция

почвенного раствора.

Таким образом, мы видим, что широкие вариации содержания

изучаемых элементов в растениях возникают под действием различных

факторов. Но при их учете, индикация почв с помощью растений может

широко использоваться при мониторинге почв.

Известно, что подвижность тяжелых металлов зависит от кислотности

среды. Чем кислее почва, тем подвижнее в ней металлы, и тем в большем

количестве переходят они в растения. Поступление металлов в растения резко

возрастает из почв, имеющих рН ниже 6,6. В то же время уровень

содержания свинца в почве и растениях со снижением кислотности почв

возрастает (Хасбибулина Р.Г., 1991).

Разрабатываются агротехнические приемы, препятствующие

поступлению свинца в сельскохозяйственные растения. Значительный

интерес вызывает действие свинца на метаболизм растений и природа

толерантности растений к нему. Исследование этих вопросов связано с

некоторыми проблемами. Так, некоторыми авторами отмечается, что трудно

определить количество микроэлементов в биологически активных формах

цитоплазмы клетки (Дуглас П. Ормрод, 1988), а загрязнение поверхности,

сохраняющееся даже после тщательной промывки, может отражаться на

результатах анализа. Большое количество свинца может поглощаться корнями

растений, но иммобилизироваться диктиосомами и откладываться в клеточных

стенках (Zimdahl R.L.,1976). Этот механизм толерантности удивителен и

уникален. Диктиосомы цитоплазмы имеют гораздо большее сродство к свинцу,

чем митохондрии. Свинец двигается через цитоплазму до тех пор, пока не

встретит диктиосому. Внутри везикулы диктиосомы свинец мигрирует к

внешней стороне клетки, где мембраны, окружающие свинец, сливаются с

плазмалеммой, а затем и с клеточной стенкой. В результате происходит

концентрация отложений свинца в клеточной стенке, вне плазмалеммы.

Низкие концентрации свинца оказывают довольно сильное действие на

различные процессы, происходящие в растении, включая фотосинтез и

дыхание. Концентрация свинца равная всего 1 млн

-1

, тормозит эти процессы.

Действие может происходить на физиологическом и биохимическом

уровне. Относительно низкие концентрации свинца ингибируют

фотосинтез и транспирацию за счет нарушения функций устьиц. Наряду с

другими микроэлементами свинец нарушает митохондриальное дыхание и

фотосинтез в изолированных хлоропластах (Дуглас П. Ормрод, 1988).

При токсическом действии свинца происходит не только грубое

нарушение в коллоидных системах, но и денатурация белков, их осаждение, а

также блокирование активных центров ферментов. Именно нарушения

нормального и согласованного действия ферментных систем представляют

основной механизм действия токсических веществ, и в первую очередь свинца

(Сезонная динамика ..., 1996). Установлено, что токсичные металлы образуют

ковалентные связи в отличие от физиологически необходимых металлов, для

которых характерны ионные связи (Физиология растительных

организмов ..., 1989).

Проводились различные исследования происхождения и распределения

загрязнения свинцом в результате сгорания бензина, содержащего свинец.

Состав аэрозолей из выхлопного газа меняется от PbBr

, PbBrCl, Pb(OH)Br,

(РbО)

PbВг

и (Рb)

РbВгС1 до карбонатов, оксикарбонатов и окислов,

очевидно, путем простой реакции замещения, когда СО

и ОН

замещают

Вг

, а в некоторых случаях С1

из галогенидов свинца, первоначально

находящихся в выхлопе (Haar G.L., 1971). Реакции нерастворимых окислов

с атмосферным SO

могут сохранить свинец в виде относительно

нерастворимого сульфата, но окисление не может быть полностью вытеснено.

Частицы неорганических солей свинца обычно имеют диаметр 1

-5

мкм. Эти

аэрозоли повышают его содержание в атмосфере вдоль дорог по сравнению с