3. Влияние тяжелых металлов на растения

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами тяжелых металлов, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью почв. Однако способность почв связывать и инактивировать тяжелых металлов имеет свои пределы, и когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов, важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению.

Механизмы устойчивости растений к избытку тяжелых металлов могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации тяжелых металлов, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступления путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количества тяжелых металлов, следующий – стебли и листья, и наконец, последний - органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции. Уровень накопления тяжелых металлов разными растениями в зависимости от их генетических и видовых особенностей при одинаковом содержании тяжелых металлов в почвах.

Отмечаются случаи, когда разные сорта одной культуры, произрастающие на одинаково загрязненной почве, содержали различные количество тяжелых металлов. Данный факт, по-видимому, обусловлен присущим всем живым организмам внутривидовым полиморфизмом, способным проявить себя и при техногенном загрязнении природной среды. Это свойство у растения может стать основой генетически – селекционных исследований с целью создания сортов с повышенными защитными возможностями по отношению к избыточным концентрациям тяжелых металлов.

Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению тяжелых металлов, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп:

1. Cd, Cs, Rb – элементы интенсивного поглощения.

2. Zn, Mo, Cu, Pb, As – средней степени поглощения.

3. Mn, Ni – слабого поглощения.

4. Se, Fe, Ва – элементы, труднодоступные растениям.

Другой путь поступления тяжелых металлов в растения - некорневое поглощение из воздушных потоков. Оно имеет место при значительном выпадении металлов из атмосферы на листовой аппарат, чаще всего вблизи крупных промышленных предприятий. Поступление элементов в растения через листья (или фолиарное поглощение) происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения через кутикулу. Тяжелые металлы, поглощенные листьями, могут переноситься в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ.

Токсичность тяжелых металлов связана с их физико-химическими свойствами, со способностью к образованию прочных соединений с рядом функциональных группировок на поверхности и внутри клеток.

Таким образом, действие металлов на растительный организм зависит от природы элемента, содержание его в окружающей среде, характера почвы, формы химического соединения, срока от момента загрязнения. Формирование химического состава растительного организма определяется биохимическими особенностями различных видов организмов, их возрастом и биохимическими закономерностями связи между элементами в организме. Содержание одних и тех химических элементов в различных частях растений.

Важную роль в защите растений от избытка поступающих из почвы в корни тяжелых металлов, выполняет корневая система. Задерживая избыточные ионы, корни тем самым способствуют сохранению в наземных органах невредных (благоприятных) концентрации химических элементов.

Связывание тяжелых металлов органическими соединениями не всегда означает перевод в малоподвижное состояние. Отмечается, что некоторые комплексы тяжелых металлов с органическими лигандами способны проходить через мембраны легче, чем ионы этих металлов, и затем внутри клетки распадаться.

При сильном загрязнении среды обитания поток тяжелых металлов становится столь большим, что может наблюдаться повышенное содержание их не только в вегетативных органах, но и в органах запаса ассимилятов. Растения выглядят угнетенными (хлорозы, некрозы), снижается их продуктивность. Это указывает на нарушение течения метаболических процессов. При очень сильном загрязнении среды обитания растения прекращают развитие, гибнут.

Накопление тяжелых металлов растениями, произрастающими на загрязненных почвах, в значительной степени зависит от уровня загрязнения. Однако сильная прямая корреляция между этими показателями обнаруживается не всегда, поскольку поток тяжелых металлов из почвы в растения определяется не только валовым содержанием, но и концентрацией в почве их подвижной формы, что тесно связано с химическим составом техногенных выбросов, защитными (буферными) возможностями почвы.

Токсичные для растений концентрации тяжелых металлов в зависимости от свойств почв могут варьировать в значительной степени. Эти уровни колеблются в 2 – 5 раз для различных тяжелых металов при выращивании сельскохозяйственных культур. Критические уровни содержания тяжелых металлов в сухих растениях и растительных кормах (мг/кг вещества): для свинца 10 – 20 и 10 – 30; для никеля 26 – 154.

Уровень содержания тяжелых металлов в почве, при котором происходит снижение продуктивности растений в 5 – 6 раз, называется токсичным.

Наряду с физиологическими системами, ограничивающими поступление тяжелых металлов, растения располагает мощным аппаратом, выводящим их при выделении метаболитов. От избыточного количества тяжелых металлов растения могут освобождаться с корневыми выделениями, в процессе транспирации и дыхания. Растения транспортируют вместе с влагой значительное количество тяжелых металлов, составляющее целые проценты от их содержания в растительном организме.

Проблема избыточного накопления тяжелых металлов в растениях затрагивает широкий круг вопросов, касающихся механизмов поглощения, транспорта, метаболизма и распределения его в органах и тканях. Биогенные элементы играют существенную роль в обеспечении физико–биохимических барьеров, при проникновении тяжелых металлов в растения.

Избыточные концентрации тяжелых металлов отрицательно влияют на синтез и функции многих биохимических активных соединений: ферментов, витаминов, пигментов и др. Повышенные по сравнению с фоном концентрации тяжелых металлов существенно влияют на фотосинтетическую деятельность растений.

При изучении белкового обмена растений показано, что избыточная концентрация тяжелых металлов влияет на уменьшение содержания альбуминов и возрастает количество проламинов, глютелинов и нерастворимого остатка. Это указывает на снижение содержания лизина. Растения обладают способностью ограничивать накопление элементов – загрязнителей в надземных органах, особенно в органах запасания ассимилятов.

Растения являются хорошими индикаторами, позволяющими определить степень загрязнения почв соединениями тяжелых металлов. Степень накопления соединений тяжелых металлов в растениях определяется уровнем загрязнения почв, расстоянием от техногенного источника, количеством атмосферных выпадений и видовыми особенностями растений.

При этом повышенные концентрации соединений тяжелых металлов содержатся в корнях и листьях. Содержание соединений тяжелых металлов в растениях сельскохозяйственных районов в семь раз меньше, чем в растениях, растущих в зоне городов.

Свинец для растений – регулятор фотосинтеза. Свинец поступает в растения в основном поступает через корни, тем не менее, он способен поглощаться и через листья. Содержание свинца в растениях обычно невелико: около 0,001 – 0,002% (от массы золы), или 5 мг/кг. Основное количество свинца сосредоточено в вегетативных органах, тогда как в репродуктивных органах накапливается 4 – 7% от его количества в растениях. Верхний порог концентрации свинца не установлен. По мере роста растений свинец перераспределяются по их органам: корни, стебли, плоды и семена.

      Свинец, поглощенный надземной массой растений, очевидно, не может быстро перемещаться к корням.

      В небольших количествах свинец необходим для растительного организма. Его дефицит возникает при содержании в надземной части 2 – 6 мкг/кг сухого вещества.

      Высокие концентрации свинца (> 800 мг/кг субстрата) приводят к заметному ингибированию скорости фотосинтеза и снижению содержания хлорофилла.

      Избыток свинца ингибирует дыхание, фотосинтез, снижает поступление цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции.

     Предельно допустимой концентрацией (ПДК) свинца для почв в России является 30 мг/кг. При содержании в почве 100 – 500 мг/кг свинца наблюдается скручивание старых листьев. Менее устойчивы к его избытку злаки, устойчивы – бобовые растения.

     Содержание свинца в растениях, растущих по краям автострад, почти в 10 раз превышает его обыкновенное содержание в растениях, причем абсорбция свинца происходит из воздуха, а не из почвы. В сухую погоду свинец накапливается на поверхности растений, после обильных дождей значительная часть (до половины) смывается.

Высокое содержание свинца в воздухе часто служит причиной летнего листопада деревьев (но при этом, концентрируя свинец, деревья интенсивно очищают воздух).

 Для растительного организма кадмий также очень токсичен. Он легко всасывается из почвы через корневую систему, а также из атмосферы. Локализуется в основном в корнях и в меньшей степени – в стеблях, черешках и главных жилках листьев.

     Токсичность кадмия для растений объясняется его близостью по химическим свойствам к цинку и замещением его во многих биохимических процессах, что приводит к нарушению активности ферментов, участвующих в белковом, нуклеиновом и других обменах, к торможению фотосинтеза, нарушению транспирации и фиксации углекислого газа, ингибированию биологического восстановления NO₂в NO, изменению проницаемости клеточных мембран (вплоть до разрыва), осложнениям в поступлении и метаболизме в растениях цинка, меди, марганца, никеля, селена, кальций, магний, фосфор (этот антагонизм используют, подавляя избыточное накопление кадмия в растениях путем улучшения снабжения их указанными элементами).

     До 70% кадмия, который попадает в почву, связывается с почвенными химическими комплексами, доступными для усвоения растениями. В процессах образования кадмийорганических соединений участвует и почвенная микрофлора.

     Обычно содержание кадмия в растениях составляет 0,001% (на сухое вещество). В зонах повышенного содержания кадмия в почве наблюдается 20 – 30 кратное увеличение его концентрации в наземных частях растений по сравнению с растениями незагрязненных территорий. Загрязненные растения могут содержать до 400 мг/кг кадмия и больше. В противоположность другим минеральным элементам (за исключением цинка) кадмий может накапливаться в относительно больших количествах в генеративных органах. В среднем его содержание в семенах растений, растущих на загрязненных территориях, увеличивается до 4 мг/кг (в семенах растений из сравнительно «чистых» местообитаний – 0,2 мг/кг кадмия).

     При повышенном содержании кадмия у растений наблюдается хлороз листьев, красно–бурый цвет их краев и прожилок, задержка роста и повреждения корневой системы. Основным источником кадмиевого загрязнения почв является внесение удобрений, особенно суперфосфата, куда кадмий входит в качестве микродобавки.

Ртуть в растительных организмах  вызывает ингибирование клеточного дыхания, фотосинтеза, образования хлорофилла, газового обмена, снижение ферментативной активности. Ключевая реакция, объясняющая нарушения метаболических процессов, – взаимодействие ртути с сульфгидрильными группами аминокислот.

      Хотя известно, что ртуть сильно связывается с атомами серы в аминокислотах, которые входят в состав многих белков и ферментов, она, очевидно, легко переносится в растениях.

    Токсическое действие на молодой ячмень описано при содержании ртути в количестве 3 мг/кг сухой массы, а при концентрации в золе 0,01 мг/кг ртуть является очень ядовитой. Токсичность парообразной свободной ртути и некоторых метилированных соединений (метилртуть) для растений является наиболее значительной.

     Повреждение растений наблюдается даже при концентрации ртути в питательном растворе 1 мкг/кг.

     Симптомы отравления растений ртутью – задержка роста всходов и развития корней, торможение фотосинтеза и как следствие – снижение урожайности.

     Накопление ртути в тканях корней ингибирует поглощение ионов калия растением, хотя при низкой концентрации ртути описано и ее стимулирующее действие на потребление калия.

     В растениях содержится около 0,0001 мг % ртути. Минимальное ее количество (0,01–0,02 мг/кг) накапливается в растениях, растущих на почвах с низкими концентрациями ртути (до 0,10 мг/кг), но по мере повышения концентрации в почве содержание ртути в надземных и подземных органах растений увеличивается до 0,018–3,0 мг/кг. В почвах большая часть ртути депонируется гуминовыми кислотами и гумином. Увеличение содержания гуминовых кислот в почве снижает количество ртути, которая усваивается растениями, за счет образования ртуть – органических комплексов. Под влиянием микроорганизмов такие комплексы могут разрушаться с образованием металлической ртути, которая, испаряясь, вновь попадает в атмосферу.

    У высших растений тонкие корни в большей степени, чем крупные, накапливают ртуть и играют роль барьера.

     Ртуть, попадающая из атмосферы в виде пара, сорбируется и прочно удерживается высшими споровыми и хвойными растениями.

     Органические соединения ртути используются в сельском хозяйстве как фунгициды, пестициды. Для рекультивации земель, загрязненных ртутью, используют растения – концентраторы селена. Они способствуют «вытягиванию» ртути из более глубоких в верхние горизонты почвы и затем превращают ее в малорастворимый селенид ртути, не участвующий в биохимических процессах.

В связи с тем, что многие растения используются в пищу или корма возникает проблема взаимоотношения растений и тяжелых металлов в окружающей среде, она является актуальной и требует дальнейшего ее изучения.

Оценка уровней безопасного загрязнения почв тяжелыми металлами проводится исходя из недопустимости повышения порога адаптационной возможности наиболее чувствительной группы населения и экологической адаптационной способности почвы. Почва служит естественным барьером на пути тяжелых металлов и сдерживает их поступление в растения и сопредельные среды.

Сохранить почву в современных условиях практически невозможно, так как вся поверхность земного шара подвержена техногенному воздействию. Наиболее мощные потоки тяжелых металлов возникает вокруг предприятий черной и цветной металлургии. Урбанизация общества приводит к тому, что в почвах городов значительно повышается содержание тяжелых металлов.