В. Г. Макарова, А. Р. Цыганов, В. А. Кирюшин, О. В. Коновалов, И. Р. Вильдфлуш, Ю. А. Можайский, Т. Ф. Персикова, В. И. Желязко Экологические и медико-социальные аспекты охраны природной среды и здоровья населения – Минск: бит «Хата», 2002
| Вид материала | Документы |
- Роль государства и граждан в охране окружающей природной среды. Экологические права, 44.33kb.
- К. И. Довбан; доктор сельскохозяйственных наук, профессор, 4142.05kb.
- Вопросы для педиатров, аттестующихся на врачебные категории по специальности «педиатрия», 93.36kb.
- Инструктивно-методические указания по взиманию платы за загрязнение окружающей природной, 659.97kb.
- Стенограмма парламентских слушаний на тему "Охрана здоровья сельских жителей: медико-социальные, 780.52kb.
- Методика создания базы данных электронной модели рельефа. Современное состояние и экологические, 71.06kb.
- Ной и иной деятельности на окружающую среду и с обеспечением охраны и рационального, 2759.62kb.
- «О внесении изменения в смету доходов и расходов городского фонда охраны окружающей, 21kb.
- Охрана окружающей природной среды. Состояние нормативной экологической базы. Присоединение, 160.25kb.
- Опубликовано Госкомитетом по охране окружающей среды рб в Государственном докладе, 41.28kb.
Выбросы промышленными предприятиями тяжелых металлов, т/год
| Элемент | Усть-Каменогорский комбинат | Иртышский медеплавильный завод |
| Золото | 1,1-4,9 10-3 | 0,042 |
| Кадмий | 26-42 | 5,36-53,6 |
| Медь | 29-56 | 774 |
| Мышьяк | 70-175 | 10-375 |
| Свинец | 450-800 | 396 |
| Селен | 7,8-15 | 0,37-16,1 |
| Серебро | 0,518-0,843 | 1,6 |
| Сурьма | 10,8-23,3 | 53-124 |
| Цинк | 587-1020 | 376 |
В процессе работы промышленных предприятий и животноводческих комплексов образуются сточные воды, которые сбрасываются непосредственно в водоемы, чаще всего без достаточной очистки. По данным за 1996 год, в поверхностные воды России было сброшено 35558,2 млн. м3 сточных вод, в том числе загрязненных – 7444 млн. м3, из них без очистки – 2123,22 млн. м3 45, 71, 107, 120, 150 В сточных водах промышленных предприятий рудничного и шахтного производств, металлообрабатывающих и перерабатывающих заводов, химических, гальванических и других предприятий наиболее часто встречаются следующие высокотоксичные ТМ: Mn, Ni, Cr, Zn, As, Cd, Pb, Fe, Cu 76. От различных производств в поверхностные водотоки поступает (мг/л): Cr – 0,01, Cu – 0,01-0,2, Zn – 0,05-0,2, As – 0,003, Sr – 0,05-1,0, Cd – 0,005-0,025, Hg – 0,001-0,005, Pb – 0,005 139.
Значительное количество ТМ поступает в окружающую среду от автомобильного транспорта 4, 28, 29, 46, 239, 260 Исследования, проведенные в г. Рязани В.П. Вороновым, показали, что на долю автомобильного транспорта в 1997 г. приходилось 57,47 % общих выбросов 49 В работе Е.В. Косыревой отмечается, что основным источником загрязнения воздуха свинцом в РФ является автотранспорт, использующий свинецсодержащий бензин, выбросы которого превышают промышленные 51 С выхлопными газами на поверхность земли ежегодно выпадает 250-260 тыс. т свинца. При поступлении свинца от автотранспорта загрязняется полоса почвы от дороги шириной 50-100 и иногда до 300 м. Основное его количество концентрируется в слое 0-10 см. Исследованиями А.А. Шапошникова было установлено, что в пробах почвы, отобранной в 30-100 м от автомобильной трассы с интенсивным движением, концентрация свинца и кадмия была выше допустимого уровня в 2-5 раз, содержание ТМ было выше в почвенном слое 0-20 см, чем в слое 20-40 см 251 В.Н. Майстренко в своей работе отмечает, что концентрация ТМ в снежном покрове около автомагистралей в 5-6 раз выше, чем на участках, удаленных от автомобильных дорог, причем содержание в нем ТМ увеличивается с возрастанием доли грузового автотранспорта 138 При сжигании мазута и дизельного топлива освобождается и попадает в окружающую среду кадмий. Повышенное содержание цинка и кадмия обнаруживается в почве вблизи автодорог, что связано с истиранием шин 83, 84, 176, 259
Ряд исследователей отмечают, что используемые в сельском хозяйстве органические, минеральные, известковые удобрения, сточные воды животноводческих комплексов содержат как биофильные элементы, так и ТМ. Внесение удобрений в почву обеспечивает прибавки урожаев на 50 %, но не может не оказывать существенного влияния на химический состав почв, вод, растениеводческой продукции 4, 61, 150, 155
Необоснованное внесение минеральных и органических удобрений, орошение сточными водами, внесение известковых материалов и пестицидов опасно не только как источник загрязнения сельскохозяйственной продукции, почв и вод биофильными элементами, но и как дополнительный источник поступления в окружающую среду ТМ 133 При внесении полной дозы минеральных удобрений (N50 P45 K70) в почву поступает (г/га): Cu – 2,07, Zn – 2,21, Mn – 5,56, Ni – 0,7, Co – 1,71, Cd – 0,13, Pb – 0,22. С внесением фосфорных удобрений в дозе 50 кг/га в почву в среднем попадает 3,5 г/га кадмия. По расчетам ЦИНАО, к 1990 г. в целом по стране (СССР), в почву было внесено с фосфорными удобрениями 3200 т кадмия, 16633 т свинца, 553 т ртути. В работах многих исследователей отмечается положительное влияние орошения сточными водами городов и животноводческих комплексов на урожайность сельскохозяйственных культур, потенциальное плодородие почвы, в то же время высокие нормы сточных вод представляют опасность вымывания минеральных солей из почвы и накопления в пахотном слое меди, цинка, кадмия, свинца 64, 96, 122 В таблице 2 представлены основные сельскохозяйственные источники загрязнения агроландшафтов ТМ 111.
Таблица 2
Сельскохозяйственные источники загрязнения почв тяжелыми металлами
(мг/кг сухой массы)
| Элемент | Орошение сточными водами | Фосфатные удобрения | Известковые материалы | Азотные удобрения | Органичес-кие удобре- ния | Пести-циды |
| Кадмий | 2–1500 | 0,1–170 | 0,04–0,1 | 0,05–8,5 | 0,3–0,8 | - |
| Кобальт | 2–260 | 1–12 | 0,4–3,0 | 5,4–12 | 0,3–24 | - |
| Медь | 50–3300 | 1–300 | 2–125 | 1–15 | 2–60 | 12-50 |
| Марганец | 60–3900 | 40–2000 | 40–1200 | - | 30–550 | - |
| Свинец | 50–3000 | 7–225 | 20–1250 | 2–27 | 6,6–15 | 60 |
| Цинк | 700–49000 | 50–1450 | 10–450 | 1–42 | 15–250 | 1,3–25 |
На металлургических, машиностроительных предприятиях, в энергетике, при производстве строительных материалов образуются разнообразные по составу и количеству промышленные отходы: зола, шлак, пыль, шламы, формовочные материалы. Они являются еще одним дополнительным источником загрязнения окружающей среды такими ТМ, как Mn, Cr, B, Sr, Zn, Pb, Cu, Co, Mo, Cd 22 ,78 Исследования состава жидкой фазы золошлаковых отходов Рефтинской ГРЭС, проведенные В.И. Сергеевым, показали, что потенциальными загрязнителями подземных вод являются As, Se, V 217 Под воздействием атмосферных осадков в результате биохимических и физико-химических превращений внутри свалки может образовываться инфильтрат, содержащий значительное количество ТМ, что представляет серьезную опасность для подземных и поверхностных вод 61 В работе А.А. Фаухутдинова и С.К. Мустафина отмечается, что твердые отходы, образующиеся в процессе работы предприятий горнорудного производства, способны аккумулировать в 2638 тыс. т отходов: Cu – 1541 т, Cd – 7,6 т, Pb – 2111 т, As – 2076 т, Hg – 68,6 т. В результате выдувания дисперсного материала отходов, как показали исследования авторов, в атмосферном воздухе, пробах воды из скважин и поверхностных водоисточников, продуктах питания и биопробах, взятых у животных и людей, находящихся в зоне техногенного воздействия предприятий, выявлено существенное превышение соответствующих значений ПДК для ртути, марганца, железа и кадмия 235
В нефти содержание таких ТМ, как Zn, Hg, Mo, Pb, значительно. На нефтяных промыслах основная масса ТМ накапливается в шламонакопителях и нефтешламовых амбарах, которые являются источником загрязнения поверхностных и подземных вод 157
Таким образом, антропогенная нагрузка на биосферу становится постоянно действующим экологическим фактором. Техногенные загрязнители, поступающие из различных источников на культурные ландшафты, оказывают негативное влияние на все его компоненты: почву, воду, биоту.
1.2. Миграция и трансформация тяжелых металлов в культурных ландшафтах
Главный фактор, определяющий содержание ТМ в почвах, – почвообразующая порода. Существует тесная связь между содержанием ТМ в почве и составом почвообразующих пород, который зависит от их гранулометрического состава и миграционной способности элементов. По данным работ Н.А. Протасовой, наибольшее количество ТМ в почвообразующих породах Окско-Донской равнины Среднерусской возвышенности найдено в покровных лессовидных тяжелых суглинках и глинах, а минимальное содержание ТМ – в древнеаллювиальных и флювиогляциальных песках и супесях 87, 100, 115, 198,199
Почва является емким акцептором для ТМ. При длительном их поступлении в почву может накопиться количество ТМ, превосходящее их концентрацию в естественных геохимических аномалиях. Но содержание ТМ в естественных геохимических аномалиях и на антропогенно загрязненных территориях различно. В загрязненных почвах они концентрируются в верхнем слое, преимущественно в металлической и оксидной формах. В геохимических аномалиях содержание ТМ в гумусовом горизонте невелико, но прослеживается увеличение их концентрации с глубиной почвенного профиля, где присутствуют металлсодержащие минералы – сульфиды, сульфаты, карбонаты 79, 109
Потоки веществ в почве тесно связаны с растительностью, поверхностными и грунтовыми водами, а также с приземной атмосферой. Поступающие в почву соединения активно трансформируются, и ТМ претерпевают ряд химических превращений, в ходе которых их токсичность изменяется в очень широких пределах 84, 99, 102, 103, 189.
Аккумуляция ТМ почвами агроландшафтов зависит от многих факторов, как природного, так и техногенного характера. Основные из них: характер почвообразующих пород, климат, растительность, рельеф местности, особенности расположения техногенных источников ТМ региона, тип водного режима почв, метеорологические условия и др. 26, 55, 81
Основными почвенно-экологическими факторами, определяющими подвижность и миграционную способность ТМ, являются: содержание гумуса, кислотность почв, гранулометрический и минералогический состав, плотность почвы, окислительно-восстановительные условия, макро- и микроэлементный состав 80, 81, 82, 120
В результате почвообразовательных процессов ТМ сорбируются глинистыми минералами, гумусом, а также гидроксидами железа 66 М.Л. Кулешова отмечает, что глинистыми материалами грунта устойчиво закрепляются Cd, Zn, Pb, Mo 131. Степень подвижности в почве у различных ТМ неодинакова. Например, свинец менее подвижен, чем кадмий, так как комплексы свинца с гуминовыми кислотами в 1509 раз прочнее, чем с кадмием. Свинец и ртуть мигрируют на незначительную глубину и чаще накапливаются в поверхностном слое (до 10 см). Цинк обладает наибольшей миграционной способностью. Медь, цинк и кадмий способны мигрировать на глубину до 30 см. Ряд исследователей отмечают, что гумусовые горизонты почв загрязненных территорий значительно обогащены ТМ, так как гумус является естественным барьером, сдерживающим миграцию и прочно удерживающим их 39, 40, 79, 105
Гумус обладает высокими сорбционными свойствами, он может образовывать в почвах с высоким содержанием ТМ сложные и комплексные соединения, менее доступные растениям. Гуминовая кислота почвы, содержащая 4 % гумуса, способна связать в расчете на 1 га 1015 кг цинка, 17929 кг железа, 4500 кг свинца, 913 кг марганца, 1517 кг меди 157, 159, 184, 204 Почвы разного генетического типа характеризуются разной сорбционной способностью. По способности удерживать и видоизменять ТМ почвы располагаются в ряд: чернозем > дерново-подзолистая окультуренная > неокультуренная. В черноземах содержание Cr, Zn, Co, B, Ba превышает кларковые значения. Серые лесные почвы содержат ТМ меньше, чем кларковые величины, исключение составляют цинк и бор. Почва в целом прочно фиксирует до 100 т/га свинца, подзолистые почвы – 2-6 т/га, а пахотный слой чернозема – от 40 до 60 т/га 8, 55, 103, 173 В таблице 3 приведено содержание различных микроэлементов в разных типах почв и их кларковые величины 55
Таблица 3
Глобальные, зональные и региональные оценки микроэлементов в почвах (мг/кг)
| Элемент | Глобальные оценки | Зональные оценки | Московская область | |||
| | Кларк земной коры | Почвы мира | Подзо-листые | Серые лесные | Черноземы | Дерново-подзолистые почвы |
| Co | 18,0 | 10,0 | 8,4 | 12,4 | 13,2 | 7,2 |
| Ni | 58,0 | 40,0 | 23,2 | 30,0 | 72,0 | 20,0 |
| Cu | 47,0 | 20,0 | 15,3 | 23,5 | 29,8 | 27 |
| Zn | 83,0 | 50,0 | 41,3 | 60,0 | 62,0 | 50,0 |
| Cd | 0,13 | 0,5 | 0,7 | 0,7 | 0,5 | 0,3 |
| Pb | 16,0 | 10,0 | 11,5 | 12,5 | 13,2 | 25 |
Подвижность ТМ уменьшается в почвах, имеющих реакцию среды, близкую к нейтральной. Увеличение как кислотности почвы, так и щелочности, приводит к увеличению миграционной способности ТМ. Значительной миграционной способностью и подвижностью обладают в кислой среде Co, Cu, Cd, Ni, Zn, Pb. При уменьшении рН на 2 единицы увеличивается подвижность меди в 2-3 раза, цинка – в 3,8-5,4 раза, кадмия – в 4-8 раз, свинца – в 3-6 раз 4, 110, 200
Гранулометрический и минералогический состав почв оказывает влияние на емкость катионного обмена, что влияет на миграционные свойства ТМ. Почвы тяжелого механического состава имеют большую площадь поверхностных частиц, что повышает емкость катионного обмена и уменьшает подвижность токсикантов. Уплотнение почв увеличивает подвижность ТМ. Это доказывают опыты, проведенные на дерново-подзолистых почвах с различной антропогенной нагрузкой. При увеличении плотности почвы с 0,6-1,0 г/см2 до 1,3-1,8 г/см2 подвижность свинца увеличилась на 6 %, цинка – на 15,4 %, меди – на 13 %. На почвах с нарушенными окислительно-восстановительными условиями (глеевых, глееватых) подвижность ТМ увеличивается, так как избыток воды в почве способствует появлению металлов в более растворимой форме, с низкой валентностью 101, 199, 267
Один из важнейших факторов, оказывающих влияние на миграцию и аккумуляцию ТМ в почвах агроландшафтов, – искусственное орошение полей. В результате орошения усиливается миграция ТМ, происходит их выщелачивание из верхних горизонтов в нижележащие. Исследования, проведенные Г.А. Евдокимовой, показали, что никель вымывается из почвы на 96-98 %, а медь, в основном, закрепляется в слое почвы 0-20 см. По данным Г.Н. Вяйзенен, наиболее загрязненный почвенный горизонт находится на уровне 20-40 см, такому вымыванию ТМ способствуют осадки 6, 26, 50,86, 237
ТМ содержатся в почвах в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы представлены в основном сульфатами, нитратами, хлоридами и органическими комплексными соединениями, которые составляют 99 % от общего количества растворимых форм. Ионы ТМ могут являться частью кристаллической решетки минералов. Цинк в большинстве случаев представлен в почве в виде изоморфных соединений в слюдах, обманках и других минералах. Кадмий собственных минералов не образует, но может присутствовать в них в виде примесей, кроме того, он практически не связывается гумусовыми веществами почв. Н.Г. Зырин по степени доступности растениям выделил три формы ТМ, в которых они присутствуют в почве: подвижные, являющиеся источником питания (водорастворимые, ионообменные, слабофиксированные); фиксированные (прочнофиксированные, хемо-сорбированные ионы, труднорастворимые, хелат-комплексы); содержащиеся в минералах 100
Из почвы основная масса химических соединений, в том числе и ТМ, мигрирует в растения. Проведенные многочисленные исследования доказывают, что между химическим составом растений и элементами, присутствующими в среде, существует тесная связь. Но растения способны выборочно накапливать элементы, поэтому между валовым содержанием ТМ в почве и содержанием их в растениях строгой зависимости не существует 4, 52, 108, 207
На поступление ТМ в растения влияют многочисленные факторы: тип почвы, ее физико-химические свойства (гранулометрический состав, рН, содержание органических веществ, емкость поглощения катионов), форма, в которой находятся ТМ в почве, а также видовые особенности растений. Так, например, по чувствительности к кадмию и способности его накапливать растения располагаются по восходящему ряду: томаты овес салат луговые травы морковь редька горох фасоль шпинат. Существенное влияние на миграцию ТМ в растения оказывает наличие техногенных источников загрязнения агроландшафтов 4, 45, 73, 159, 202
ТМ могут мигрировать в растения корневым и фолиарным путем. Основным процессом, посредством которого ТМ поступают в растения, является адсорбция корнями – метаболическая и неметаболическая. Скорость поглощения ТМ корнями зависит от доступных – подвижных форм ТМ, присутствующих в почве, контактирующей с корневой системой растений 4, 42, 110, 111, 254
В растения легко мигрируют кадмий, свинец, слабо доступны для растений Ca, Bi, Ba, Sc, Ti, Se. По степени накопления элементов растениями – коэффициенту биологического поглощения Ах, показывающему отношение содержания элемента в золе растений к содержанию этого элемента в почве, А.И. Перельман выделил 5 рядов (табл. 4).
Наряду с поглощением ТМ из почвы существует и фолиарное поглощение. Избыточное количество ТМ, поглощенных фолиарно, откладывается в корнях. Некоторое количество ТМ выделяется с влагой при транспирации и смывается водой 42, 189 ТМ резервируются не только в фитомассе агроландшафта, но довольно в большом количестве остаются и в пожнивных остатках 81, 89
Таблица 4
Коэффициенты биологического поглощения [189]
| Элемент | Ах | Ряды биологического поглощения |
| P, S, Cl, I | n 10 - n 100 | Энергично накопляемые элементы |
| K, Ca, Mg, Na, Zn, Ag | n 100 - n 101 | Сильно накопляемые |
| Mn, Ba, Cu, Ni, Co, Mo, As, Cd, Be, Hg, Se | n 10-1- n 100 | Группы слабого накопления и сильного захвата |
| Fe, Si, F, V | n 10-1 | Слабого захвата |
| Ti, Cr, Pb, Ai | n 10 - n 10-2 | Слабого и очень слабого захвата |
Мигрируя в растения, ТМ распределяются по органам и тканям. В работах некоторых авторов указывается на аккумуляцию ТМ в надземных органах 81, 82 Содержание ТМ в надземных органах: листьях, стеблях, плодах различно, что, по мнению ряда исследователей, связано со свойствами элементов и видовой специфичностью растений 94, 129 Многие исследователи отмечают депонирование ТМ в корнях. Связывание ТМ корнями растений выводит их из активной биогеохимической миграции, а также приводит к накоплению ТМ в гумусовом слое почвы, где находится основная масса тонких корней. Как отмечает в своей работе П.В. Елпатьевский, концентрация ТМ увеличивается в ряду: древесина стволов древесина толстых корней древесина однолетних побегов репродуктивные органы листья кора корней кора стволов тонкие корни. Установлено, что характер распределения ТМ по органам и тканям растений в течение онтогенеза изменяется 89, 123, 210
ТМ способны мигрировать из почвы не только в растения, но и в грунтовые воды, а также с поверхностным стоком с загрязненных территорий попадать непосредственно в водные объекты. В водных системах ТМ включаются в существующие миграционные циклы. Они распространяются и накапливаются во всех компонентах водной системы: воде, взвеси, донных отложениях, живых организмах. Это приводит к нарушению взаимосвязей в водных экосистемах, изменяется их структура, и возникают техногенные геохимические аномалии.
Таким образом, ТМ, поступившие в пределы агроландшафтов водных бассейнов, способны оказать негативное влияние на все его компоненты: почву, воды внутрипочвенные и поверхностные, биоту в результате их перемещения и трансформации, включения в миграционные циклы.
1.3. Биологическая роль тяжелых металлов
ТМ в окружающей среде играют двойную роль. Они являются неотъемлемым компонентом нормальных физиологических процессов, но в то же время они токсичны при повышенных концентрациях, приводящих к нарушению метаболизма и функционирования живых организмов на любой стадии онтогенеза. Во многих случаях эти нарушения являются необратимыми и смертельными. В токсичных концентрациях ТМ проявляют канцерогенные свойства, отрицательно воздействуют на генетическую мембранную, ферментно-белковую систему клетки, вызывают нарушение концентраций веществ, необходимых для энергетического метаболизма – АТФ, АДФ, фосфоркреатина, изменяют активность ферментов, уровень содержания в клетках кальция и магния, необходимых для нормального функционирования организма 30, 67, 76, 164, 169
Различные ТМ представляют неодинаковую опасность для живых организмов. Такие ТМ, как Hg, Pb, Cd, As, Cu, V, Zn, Mo, Co, Ni, Sn, Sb, признаны приоритетными загрязнителями по степени токсичности, распространенности и способности накапливаться в пищевых цепях. Наиболее опасные из них Hg, Pb, Cd 257. Влияние металлических загрязнений нуждается в первоочередном рассмотрении, контроле и оценке, так как рассеяние в среде обитания таких высокотоксичных металлов, как ртуть и свинец, составляет 80-90 % от их годового производства 211 В работах Ю.В. Алексеева, А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас 4, 111 дается классификация ТМ по уровню токсичности:
– очень токсичные: Ag, Be, Hg, Sn, Co, Ni, Pb, Cr – оказывают вредное воздействие на биотест при концентрации вещества 1 мг/л;
– умеренно токсичные: As, Se, Al, Cd, Cr, Fe, Mv, Zn – ингибируют биотест при концентрации 1-100 мг/л;
– слаботоксичные: Ca, Mg, Sr, Li – ингибируют биотест при концентрации более 1800 мг/л.
В условиях загрязнения среды обитания ТМ существует реальная возможность их попадания в пищевые продукты, что представляет серьезную угрозу для здоровья человека 164 Наиболее опасными являются лабильные формы ТМ, характеризующиеся высокой биохимической активностью и способностью накапливаться в биосредах. По чувствительности к ним человека и животных металлы можно расположить в следующий ряд: Hg>Cu>Zn>Ni>Pb>Cd>Cr>Sn>Fe>Mn>Al. Для каждого металла существует свой механизм токсического действия, но, в основном, в повышенных концентрациях ТМ являются тиоловыми ядами, воздействующими на отдельные этапы углеводно-фосфатного и аминокислотного обмена. Они способны связывать сульфгидрильные группы, являющиеся активными центрами многих ферментов, при этом происходит ингибирование или полное прекращение окислительно-восстановительных реакций в клетках. Живые организмы имеют механизм детоксикации в отношении ТМ – это синтез металлотионинов, обеспечивающих связывание ионов металлов в прочные комплексы 139, 261
ТМ способны оказывать токсическое воздействие и на растения, которое может быть прямым и косвенным. Косвенное воздействие – это ухудшение свойств почвы, снижение плодородия, угнетение почвенной биоты, в результате чего ухудшается качество растительной продукции 22, 35, 39 Прямое влияние состоит в накоплении ТМ в растениях, что приводит к их отравлению. Наиболее общие симптомы фитотоксичности, характерные для большинства растений, – это угнетение роста, изменение окраски, хлороз, патология цветков, изменение формы листьев 23, 109, 150, 229, 233
А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас в своей работе выделяют основные реакции растительных организмов, возникающие в результате токсического воздействия ТМ: изменение проницаемости клеточных мембран, конкуренция за жизненно необходимые метаболиты, замещение жизненно важных ионов, сродство с фосфатными группами и активными центрами АТФ и АДФ. В многочисленных экспериментах доказано, что почти все растения в какой-либо степени способны защищаться от токсического действия ТМ 111 В.Б. Ильин выделяет следующие механизмы устойчивости растений к избытку ТМ в среде: задержка избыточного количества ТМ в корнях или за пределами метаболически важных органов, создание обменных реакций, менее чувствительных к действию ТМ, перевод избыточных ионов ТМ в инертные формы 109.
Ниже приводится характеристика биологических и токсикологических свойств некоторых ТМ.
Медь – биоэлемент, являющийся постоянным компонентом почв, растений. Медь имеется в тканях животных и участвует в метаболических процессах 108, 111, 198, 256, 269 Основная функция меди в организме человека и животных – участие в кроветворении и белковом обмене. Ю.В. Алексеев отмечает, что при недостаточности содержания меди у растений наблюдается задержка роста, хлороз листьев и потеря тургора, уменьшение урожая. Медь усиливает процесс фотосинтеза, углеводный обмен, образование витаминов В и Р, повышает устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды 4, 111, 124 Как указывает Ю.В. Алексеев, медь из почвы в растения мигрирует слабо, активно поглощают медь картофель, морковь, гречиха. Обычно содержание меди в растениеводческой продукции составляет 1-10 мг/кг, но при применении медьсодержащих удобрений возрастает в 2-4 раза. По данным Р.Б. Сливинской, фитотоксичность меди выше, чем цинка, что особенно выражено на легких почвах. Согласно М.Г. Опекуновой, существует антагонизм в накоплении меди и марганца в корнях и надземных растительных органах 4, 116, 181, 220 В токсичных концентрациях медь ингибирует активность ферментов: щелочной фосфатазы, каталазы, оксидазы и рибонуклеазы. Соли меди в больших концентрациях оказывают на животные ткани прижигающее действие вследствие свертывания ими белков, а также нарушении проницаемости биомембран, что вызывает нарушение работы регуляторной системы клетки. Установлена связь между частотой болезней органов дыхания и валовыми выбросами сульфата меди 4, 17, 261
Соли меди – хлориды и нитраты токсичны для рыб в концентрации 0,01-0,02 мг/л, причем их токсичность проявляется сильнее в мягкой воде. Комбинация с цинком и кадмием усиливает токсическое действие меди. При отравлении рыб наблюдается асфиксия. Простейшие водные организмы переносят без вреда в течение более 48 часов концентрацию меди 0,1 мг/л.
Цинк в работах многих исследователей характеризуется как элемент, имеющий большое биологическое значение и как активный участник многих биологических циклов, входящий в состав 80 ферментов 4, 108, 191, 256 В растительных клетках цинк концентрируется в ядре и митохондриях, накапливается в листьях, репродуктивных органах 108, 191
В работе Ю.В. Алексеева показано, что цинк интенсивнее накапливается в злаках, чем в бобовых культурах 4 J.G. Bockheim, J.E. Leide считают, что динамика содержания цинка различна у разных растений 266 Цинк влияет на синтез белков и ауксинов, интенсифицирует процесс фотосинтеза 108, 111, 256 При недостатке цинка в растительных организмах наблюдается нарушение работы окислительных ферментов, углеводного и белкового обмена, уменьшение образования хлорофилла, витаминов С, Р и группы В. Симптомами недостаточности цинка являются хлороз и задержка роста 109, 110, 191, 256
В работах ряда исследователей указывается на слабую токсичность цинка для растений. Токсичные концентрации цинка вызывают ослабление роста и хлороз, снижают урожай зерновых, картофеля и свеклы. Многие растения обладают устойчивостью к избытку цинка в среде. В работе Е.И. Гончарук показано, что растения семейства крестоцветных и гвоздичных обладают способностью концентрировать цинк 4, 47, 65, 111, 191, 197, 198, 199, 256. Как отмечает К. Рейли, токсичные дозы цинка действуют негативно на желудочно-кишечный тракт человека, вызывают патологические изменения, связанные с дефицитом кальция 97, 124, 208, 262.
Кобальт – необходимый элемент для нормального функционирования живых организмов. В работах Я.В. Пейве и Ф.Я. Сапрыкина указывается, что кобальт фитотоксичен при концентрации 30 мг/кг в почве, недостаток этого элемента растения испытывают при содержании его в почве менее 7 мг/кг 187, 215. Кобальт принимает участие в фотосинтезе, окислительно-восстановительных процессах, энергетическом обмене, входит в состав витамина В12, карбамидных коферментов. По данным М.Я. Школьника, кобальт интенсивнее накапливают злаковые, у бобовых он депонируется в клубеньках, но основной накопитель данного элемента – водные растения. В работе В.Б. Ильина отмечается, что в растениях кобальт влияет на процессы оплодотворения, накапливается в генеративных органах 21, 108, 199, 256 В токсичных дозах этот элемент вызывает полицитемию. Соли двухвалентного кобальта способны ингибировать окислительные ферменты. Установлено, что избыток кобальта способствует развитию миокардита и заболеваний щитовидной железы 208, 240.
Марганец содержится в тканях всех растений, в максимальных количествах – в цитоплазме. Растения испытывают недостаток марганца на известковых, карбонатных и торфяных почвах, что проявляется появлением пятен вытянутой формы на листьях. В растительных организмах марганец выполняет ряд функций: участвует в окислительно-восстановительных процессах, фотосинтезе, ауксиновом обмене, выступает катализатором ряда реакций, входит в состав активных групп 10 ферментов 1, 21, 108, 110, 198, 241, 256.
Марганец токсичен для растений в кислой среде или на переизвесткованных почвах с щелочной реакцией. В.В. Ковальский отмечает, что высокое содержание марганца в растительных кормах вызывает у животных заболевания костной системы, поражает нервную систему. Марганец способен вызвать нарушение состояния здоровья у новорожденных, проявляющееся патологической желтухой 4, 111, 124, 170
Ртуть, свинец, кадмий имеют уникальные токсикологические характеристики и оказывают негативное воздействие на живые организмы и окружающую среду в целом в следовых количествах 139.
Ртуть характеризуется только как токсичный элемент 4, 139, 145, 228, 258. При содержании ртути в почве более 50 мг/кг нарушается рост растений, отравление растений происходит при концентрации более 1000 мг/кг. Избыток ртути в среде вызывает у человека болезнь Миномата, угнетает центральную нервную систему, нарушает работу почек и органов пищеварения, изменяет биологические свойства тканевых белков, инактивирует ряд окислительных и гидролитических ферментов 4, 24, 55, 208.
Кадмий – токсичный, тератогенный, канцерогенный ТМ 4, 139. Он негативно влияет на рост и развитие растений. Высокая токсичность кадмия объясняется его антагонизмом по отношению к цинку, т.е. кадмий способен замещать цинк в некоторых биохимических процессах и нарушать работу ферментов, связанных с дыханием, белковым обменом и другими физиологическими процессами 4, 47, 51, 120, 208, 258, 263. Как отмечает в своей работе Л.М. Кузнецова, при содержании кадмия в почве более 5 мг/кг наблюдается снижение урожая 130. По данным А. Kloke, Н. Schenke, загрязненные растения могут содержать более 400 мг/кг кадмия 270. Кадмий снижает количество каротина и хлорофилла в растениях 110, 248. У человека избыток кадмия вызывает анемию, все формы рака 23, 24, 120, 208, 238.
Свинец при повышенных концентрациях является опасным токсикантом глобального значения 4, 47, 208. Биологическая роль свинца довольно мала, установлено, что он входит в состав некоторых биологически активных соединений 91, 120, 258, 268. Токсичность свинца невысока вследствие малой растворимости его соединений и наличии в растениях системы инактивации данного элемента. Основная часть свинца депонируется в корнях, и только 1-2 % переходит в надземные органы. При высокой концентрации в почве свинец угнетает ростовые процессы растений, вызывает нарушения в пигментных комплексах и уменьшает содержание хлорофилла в тканях, витамина С и провитамина А 53, 232, 247. Наиболее токсичны для человека алкилированные соединения свинца, использующиеся в качестве присадок к бензину. При свинцовых отравлениях наблюдается поражение центральной нервной системы, желудочно-кишечного тракта, половой системы животных и человека 31, 97 Характерный патологический процесс при свинцовом отравлении – слабое использование железа эритробластами на синтез гемоглобина. Доза свинца 100 мг/кг, по Г.В. Добровольскому, считается летальной. Выявлена корреляция между содержанием свинца в кормах и крови крупного рогатого скота 83, 92, 204, 212, 214
Мышьяк опасен при поступлении в больших количествах в легкие почвы. Большинство растений способно выводить данный элемент из тканей надземных органов, поэтому мышьяк в больших количествах для растений не опасен. Мышьяк – протоплазматический яд, канцероген, оказывает нейротоксическое действие, способен вызывать рак легких 4, 23, 24, 108, 110, 239
Никель хорошо мигрирует и накапливается в растениях. При содержании его в растительности примерно 50 мг/кг проявляются признаки отравления. Данный элемент оказывает влияние на углеводный обмен, окислительно-восстановительные процессы, он более токсичен для растений, чем свинец, медь, хром, цинк 4, 262, 263
Никель относят к биологически активным элементам, взрослому человеку в сутки необходимо 0,2-0,6 мг никеля, но в то же время его избыток может вызвать у человека разнообразные токсические, сенсибилизирующие, мутагенные, канцерогенные эффекты 33 При отравлении никелем наблюдается поражение нервной системы и гипербилирубинемия у детей, экзема, чесотка, снижение неспецифической устойчивости к бактериальным инфекциям, в результате снижения в легочной жидкости содержания лизоцима, возможны случаи рака дыхательных органов, соли двухвалентного никеля способны ингибировать окислительные ферменты. Избыток никеля в рационе сельскохозяйственных животных приводит к изменению фракционного состава растворимых белков мяса 33, 51, 72, 88, 141
Хром мало токсичен. Поглощается, в основном, корнями растений. Хром связан с ферментной системой организма, является кофактором инсулина и необходим для оптимального использования организмом глюкозы 51 Избыток хрома вызывает у растений нарушение развития и роста, у человека может инициировать рак, ионы хрома способны образовывать прочные комплексы внутри клетки с нуклеиновыми кислотами и протеинами, вызывая повреждение ДНК 4, 185, 208, 240
Таким образом, ТМ представляют серьезную опасность для окружающей среды. Исследования, проводимые в этой области, будут представлять несомненный интерес для многих отраслей науки, а их результаты помогут уменьшить давление «металлического пресса» на биосферу, а значит, будут способствовать решению проблемы загрязнения ТМ окружающей среды.