Экологическое земледелие с основами агрохимии. Учебное пособие

сельскохозяйственных культурах гораздо менее распространена, чем его дефицит.

Однако токсичность Zn возникает в почвах, загрязненных в результате горнодобывающей и металлургической деятельности, в сельскохозяйственных почвах, обработанных осадками сточных вод, а также в городских и пригородных почвах, обогащенных антропогенным поступлением Zn. Симптомы токсичности Zn

включают снижение урожайности и задержку роста, хлороз, вызванный дефицитом железа из-за снижения синтеза хлорофилла и деградации хлоропластов, а также нарушение поглощения P. Поэтому, содержание цинка в экосистеме не должно превышать ПДК (рисунок 18) [12].

Рисунок 18 – ПДК содержания цинка

Медь (Cu) является важным элементом для человека и растений, когда присутствует в меньшем количестве, в то время как в чрезмерных количествах она оказывает пагубное воздействие. Существует небольшая разница между необходимой, положительной и вредной концентрацией меди в живых системах,

которая существенно меняется в зависимости от вида меди и формы живых организмов. Следовательно, жизненно важно контролировать ее биодоступность,

видообразование, уровни воздействия и пути их прохождения в живых организмах.

Медь играет ключевую роль в усвоении СО2 и производстве АТФ в растительных организмах. Этот элемент основной компонент разнообразных белков фотосинтетической системы. В тоже время, концентрация меди в растениях,

превышающая критические пределы, влияет на рост растений, способствует хлорозу

81

листьев и вызывает цитотоксичность. Избыток меди в растениях способствует окислительному стрессу за счет образования активных форм кислорода (АФК).

Поэтому, содержание меди в экосистеме не должно превышать ПДК, чтобы исключить попадание высоких ее концентраций в пищевую цепь (рисунок 19).

Рисунок 19 – ПДК содержания меди

Никель (Ni) является металлом природного происхождения, но антропогенная деятельность, такая как индустриализация, использование удобрений, химикатов и осадка сточных вод, увеличила его концентрацию в окружающей среде до нежелательных уровней. Никель снижает всхожесть семян, рост корней и побегов,

накопление биомассы и конечную продукцию. Кроме того, токсичность никеля также вызывает хлороз и некроз, ингибирует различные физиологические процессы

(фотосинтез, транспирацию) и вызывает окислительное повреждение растений. С

положительной стороны, никель необходим для нормального роста, ферментативной активности (например, уреазы), азотистого обмена, усвоения железа и специфических метаболических реакций. Угроза, связанная с никелем, возрастает по мере того, как концентрация никеля в окружающей среде, особенно в почвах, увеличивается день ото дня; следовательно, в ближайшем будущем это может представлять опасность для растениеводства (рисунок 20) [12].

82

Рисунок 20 – ПДК содержания никеля

Мышьяк (As) является повсеместным металлоидом в биосфере, и его происхождение может быть как геогенным, так и антропогенным. Мышьяк вреден для различных сельскохозяйственных культур. Даже его минимальное количество оказывает разнообразное токсическое воздействие на растения – плохое развитие корневой системы, увядшие листья, пожелтение листьев и общее снижение содержания хлорофилла, что пагубно влияет на метаболизм растений. Вызванная мышьяком фитотоксичность приводит к нарушению многих метаболических процессов, тем самым подавляя рост растений и развитие сельскохозяйственных культур. Содержание мышьяка строго регулируется ПДК (рисунок 21)

Рисунок 21 – ПДК содержания мышьяка

Стронций (Cr) – радионуклеид, который попадает в окружающую среду в

результате обычных и аварийных выбросов и воздействует на живые организмы либо

83

из внешних источников, либо после поглощения. При усвоении растениями он попадает в пищевую цепь и представляет основную угрозу для здоровья человека и окружающей среды. Подвижность и доступность стронция для корней растений в почве контролируются внешними факторами, такими как химический состав почвы и рН, температура и сельскохозяйственная обработка почвы, а также биологические сети почвы, созданные микробными сообществами. Поверхность растений может получать стронций в результате осаждения, вызванного загрязнением атмосферы, или путем поступления из воды по всей погруженной поверхности. Стронций подавляет рост первичного корня, вызывает хромосомные аномалии и нарушает фотосинтез у растений. Активность этого элемента может быть снижена внесением в почву кальция, магния, калия и натрия. Не нормирован по ПДК.

Уран-238 (U) является природным радионуклидом и тяжелым металлом. Уран238 – доминирующий природный радионуклид, имеет очень длительный период полураспада 4,47 × 109 лет, что придает ему низкую удельную активность.

Следовательно, риск химической токсичности выше, чем радиологической. U, как и другие тяжелые металлы может индуцировать реакции растений, связанные с окислительным стрессом. Воздействие U влияет на уровни транскриптов нескольких генов, продуцирующих антиоксиданты в листьях растений. Не нормирован по ПДК

[Большаков, 1978].

Хром (Cr) является потенциально токсичным тяжелым металлом, который не выполняет каких-либо важных метаболических функций в растениях. Отрицательно сказывается на природных ресурсах и экосистеме и является опасным канцерогенным элементом. Токсичность, подвижность и биодоступность хрома зависят главным образом от его вида. Хром в основном существует в двух формах, во-первых, в виде неподвижных, менее растворимых соединений трехвалентного хрома [Cr (III)] в

восстановительных условиях, тогда как шестивалентный хром [Cr (VI)] в условиях окисления является подвижным, токсичным и биодоступным соединением.

Шестивалентный хром более вреден по сравнению с трехвалентной формой. Хром отрицательно влияет на рост сельскохозяйственных культур, общий урожай и качество зерна. Воздействие хрома даже в низкой концентрации усиливает его

84

накопление в клетках человека и животных, что может оказывать пагубное воздействие на здоровье. Содержание хрома строго регулируется ПДК (рисунок 22)

[10].

Рисунок 22 – ПДК содержания хрома

Калийные удобрения. Калий (K), от неолатинского слова kalium

(производного от «щелочь», латинизированной формы арабского al-qali,

означающего кальцинированную золу), был выделен как элемент Хамфри Дэви в

1807 году. В глобальном масштабе выщелачивание древесной золы было доминирующим способом синтеза соединений калия примерно до 1860 года,

унаследовав методы, разработанные до зарождения промышленной химии. В Европе на рынке древесной золы в основном доминировала Россия, которая могла полагаться на постоянные поставки из обширных лесов. В 17 веке двумя дополнительными источниками золы были галофитные растения из стран Средиземноморья (барилла) и

водоросли, собираемые в северной Европе (ламинария). В 1650 году торговля между Англией и Россией была прервана из-за политических споров, вызвавших общий скачок цен на бариллу. Военные события, которые охватывали Европу на протяжении

18 века и которые сделали проблематичным снабжение бариллы. Кроме того,

дефицит древесины стал широко распространенным явлением, что привело к росту цен на древесную. Именно в этот период калий становится стратегическим товаром,

находящимся в центре национальных интересов.

Калий вымывается из почвы атмосферными осадками и вносится почвенным стоком. Потери его из почвы в результате вымывания зависят от количества и распределения атмосферных осадков, содержания в почве, ее гранулометрического

85

состава и поглотительной способности почв. Вымывание калия в 5 – 10 раз ниже, чем азота и в десятки раз больше фосфора. Поскольку калий вместе с другими биогенными элементами вызывает эвтрофикацию природных водоемов, его количество должно ограничиваться до необходимых пределов.

Водная и ветровая эрозия почвы может вызывать значительные потери калия почвы и внесенных удобрений. Смыв коллоидных частиц почвы постепенно обедняет пахотный слой почвы этим элементом. Хотя потерям калия из почвы придают меньшее значение, нежели потерям азота, вследствие существенной разницы в их содержании и распределении в почвенном профиле, интенсивные эрозионные процессы могут создать серьезный дефицит калия для питания растений.

Калийные удобрения сравнительно быстро поглощается почвенными коллоидами и не оказывает вредного влияния на окружающую среду. Тем не менее,

калийные удобрения должны также использоваться с большой осторожностью, т.к.

калий не существует в свободной форме, а применяется в виде удобрений в комплексе с натрием, хлором и серой. Это вызывает засоление и подкисление почвы, нарушение физиологической уравновешенности почвенного раствора [15].

Солевой стресс влияет на различные физиологические и метаболические процессы и в конечном итоге может препятствовать производству сельскохозяйственных культур. На ранних стадиях высокая концентрация растворенных веществ, присутствующих в почве, вызывает осмотический стресс,

который снижает способность корневой системы поглощать воду и, тем временем,

ускоряет потерю воды листьями. Высокая концентрация соли вызывает симптомы,

аналогичные симптомам дефицита, вызванным дефицитом питательных веществ, из-

за вмешательства ионов в функции мембран, которые влияют на усвоение питательных веществ и баланс растворенных веществ внутри клетки.

Солеустойчивые и чувствительные сорта отличаются способностью задерживать соль в вакуолях, что медленно приводит к изменению их жизненно важных клеточных функций. Солевой стресс вызывает различные физиологические изменения, такие как снижение скорости фотосинтеза, уменьшение устьичной апертуры и более низкую устьичную проводимость из-за нарушения водного баланса,

86

уменьшение скорости транспирации, снижение концентраций хлорофилла а и в,

общего хлорофилла и каротиноидов, изменения в анатомии листьев, такие как уменьшение толщины эпидермиса и мезофилла и уменьшение межклеточные пространства в листьях и уменьшение плотности длины корня, дисбаланс питательных веществ со снижением содержания фосфора, азота, Ca2+, Mg2+ и K+,

снижение относительного содержания воды в листьях и нестабильность мембран и увеличение их проницаемости [15].

В целом опасность загрязнения окружающей среды химическими

элементами удобрений сводится к следующим последствиям:

1. Усиление минерализации органики, что приводит к деградации почвенно-

поглощающего комплекса, снижении биологической активности почвы;

2.Проникая в организм растения, элементы активно включаются в метаболические процессы и/или накапливаются в клетках, оказывая пагубное влияние на физиолого-биохимические процессы и генетику растений, что нарушает равновесие как в фитоценозах, так и в экосистеме в целом;

3.Химические элементы транспортируются в цепи «почва–растение–

животное–человек», вызывая различные заболевания у последнего [24].

4.2.2 Органические удобрения

Чрезмерное применение химических удобрений является основной причиной серьезного загрязнения сельского хозяйства и является источником экологическим проблем, таких, как например, выбросы парниковых газов и нитратное загрязнение.

Постоянное чрезмерное внесение химических удобрений вызвало деградацию почвы,

включая подкисление почвы, засоление почвы, снижение плодородия, микробного разнообразия и нестабильность почвенной микроэкосистемы. Продуктивность растений, с учетом урожайности и качества, в результате была снижена.

87

Кроме этого, органические отходы (в основном отходы животноводства и солома сельскохозяйственных культур), которые не прошли переработку путем сжигания и прямого сброса, что привело к серьезному загрязнению воздуха и воды.

Чрезмерное внесение удобрений ограничило устойчивое и экологичное развитие сельского хозяйства.

За последнее десятилетие между странами было достигнуто соглашение о сокращении общего внесения химических удобрений и увеличении использования органических удобрений для улучшения состояния почвы и продуктивности растений. По сравнению с химическими удобрениями внесение органического навоза

ивозврат растительных остатков могут поддерживать плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур за счет увеличения содержания в почве органического вещества и минеральных питательных веществ. Тем временем для восстановления почвенной экосистемы было рекомендовано сочетание химических и органических удобрений. Было предложено заменить химические удобрения органическими на 40 – 50 % для поддержания высокой урожайности при одновременном улучшении качества почвы, содержания углерода в почве и стабильности почвенных агрегатов [11].

Всельскохозяйственных экосистемах антропогенное вмешательство оказывает глубокое воздействие на свойства почвы, разнообразие почвенных микроорганизмов

иэкосистемные услуги. Почвенные микробы являются наиболее активными и чувствительными компонентами почвенной экосистемы и активно участвуют в разложении органического вещества, круговороте питательных веществ и агрегации почвы. Они быстро реагируют на способы ведения сельского хозяйства и изменение свойств почвы.

Тем временем почвенные микроорганизмы оказывают влияние на наземные растения через круговорот веществ и поток энергии в наземной экосистеме. Таким образом, микробное сообщество почвы рассматривается как важный индикатор почвенной среды. На сегодняшний день знания о реакции бактерий на различные методы сокращения внесения удобрений в сельском хозяйстве по-прежнему

88

ограничены, особенно о механизмах участия бактериального сообщества в регулировании экосистемных услуг почвы.

Переработка твердых органических отходов в органические удобрения в настоящее время рассматривается как хороший выбор для использования ресурсов и устойчивого развития путем превращения отходов в сокровище, тем самым достигая целей сокращения отходов, переработки отходов и повторное использования ресурсов. Производство органических удобрений из твердых органических отходов является эффективной ресурсной возможностью, которая может способствовать устойчивому развитию.

Однако, в настоящее время отходы животноводческого комплекса – основной источник органических удобрений. В сельскохозяйственном производстве также используются технология использования сточных вод животноводческих комплексов для орошения производственных площадей. Однако, в сточные воды попадает значительное количество тяжелых металлов, которые оказывают пагубное воздействие на культуры и попадают в пищевые цепи. Среди таких элементов – свинец, ртуть, кадмий.

Ртуть (Hg) существует в различных формах, но ионная ртуть (Hg2+) является преобладающей формой в почвах и легко усваивается растениями. Загрязнение почв ртутью стало серьезной проблемой в результате ее естественного высвобождения и антропогенной деятельности. Накопленная в растениях ртуть вызывает сильную фитотоксичность и ухудшает многочисленные метаболические процессы, включая усвоение питательных веществ, состояние водного режима и фотосинтез. Ввиду высокой патогенности данного тяжелого металла его содержание в среде строго нормируется (рисунок 23).

89

Рисунок 23 – ПДК содержания ртути

Свинец (Pb) нарушает метаболический гомеостаз растений и ключевые структурные элементы. Свинец использовался для различных целей с древних времен, несмотря на его токсичную природу. После ртути свинец является наиболее опасным тяжелым металлом, не имеющим какой-либо известной полезной роли в биологической системе. Это важнейший неорганический загрязнитель, влияющий на биохимические и морфофизиологические характеристики растений. Токсичность свинца наносит вред растениям на протяжении всего их жизненного цикла, и степень повреждения зависит от концентрации и продолжительности воздействия. Более высокие уровни воздействия свинца нарушают многие ключевые метаболические активности растений. Существуют нормы ПДК для свинца, регламентирующие максимально допустимые его концентрации (рисунок 24).

Рисунок 24 – ПДК содержания свинца

90