Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологическая токсикология. Практикум
.pdf
51
также «болезнью освоения», так как она поражает овес, ячмень, яровую и озимую
пшеницы и другие злаки, а также лен, коноплю, махорку и другие культуры на
мелиорированных почвах.
На некоторых торфяных почвах злаки в фазе молочной спелости полегают,
образуя колена. В тканях выпуклой части колена окислительные процессы
(активность пероксидазы, полифенолоксидазы, цитохромоксидазы) протекают на
более высоком уровне и в них содержится в 3 раза больше меди, чем в
противоположно расположенных тканях.
«Болезнь обработки» не возникает, если в почву вносят сернокислую медь в
количестве 25 кг на 1 га, что ведет к нарастанию содержания меди в растениях
(пшенице, ржи, овсе и других злаках).
Применение медных удобрений не только сказывается на повышении
урожайности, но и на качестве сельскохозяйственных продуктов. Так, количество
белка в зерне нарастает, сахаристость сахарной свеклы увеличивается, так же как
процент выхода каучука у кок-сагыза, содержание витамина С и каротина в плодах и
овощах, улучшаются технологические качества волокна конопли. Под влиянием
медных удобрений повышается устойчивость озимой пшеницы к полеганию [24].
Вопросы для самопроверки.
1. Опишите главный путь поступления цинка и меди в гидросферу и формы их
существования в водных объектах.
2. Какие соединения образуют цинк и медь в тканях живых организмов?
3. Приведите примеры токсичного действия данных металлов на организмы.
4. Опишите признаки поражения цинком у растений.
5. Опишите симптомы недостаточности цинка у растений.
6. Каково содержание цинка и меди в почвах?
7. Опишите симптомы недостаточности меди у растений.
2.2.3 Токсическое действие бериллия. Опасность для естественных экосистем
представляют не только металлы, о которых речь шла выше, но также некоторые
другие элементы, не относящиеся к тяжелым металлам. В их числе следует прежде
всего упомянуть бериллий и алюминий.
52
Бериллий относится к рассеянным элементам; его содержание в земной коре не
превышает 4 × 10-4 %. Основными минералами бериллия являются силикаты и
оксиды, например берилл (формула (2.3):
. (2.3)
Этот металл находит все более широкое применение:
- в виде сплавов с алюминием он используется в самолетостроении и во всех
элементах конструкций космических кораблей;
- при изготовлении окон рентгеновских трубок;
- в атомной технике в качестве отражателя и замедлителя нейтронов в
реакторах.
Антропогенное загрязнение объектов окружающей среды бериллием связано с
его извлечением из руд и рафинированием. В атмосферу он поступает также с
продуктами сгорания нефти и углей: в золе углей из различных месторождений его
содержание обычно колеблется от 0,001 % до 0,1 %. В поверхностные и грунтовые
воды бериллий поступает также в результате естественных процессов выщелачивания,
особенно интенсивного в местах его рудных скоплений. Он вымывается с высокой
скоростью водами с большим содержанием фторид- и сульфат-ионов, с которыми Ве2+
образует прочные комплексы.
Ион Ве
2+
имеет малый радиус (0,32 А) и, как следствие, большое отношение
заряда к радиусу (z/r = 6,45). Малый ионный радиус обуславливает малое
координационное число (4) и высокую поляризацию координированных с бериллием
лигандов [13].
Содержание бериллия в поверхностных водах варьирует от 0,03 до 10 мкг/л, а
в подземных водах может достигать 500 мкг/л. В нейтральных водах он присутствует
в форме гидроксокомплексов [Ве(OH)]+, при рН от 3 до 5 - в составе полиядерных
комплексов [Ве
2
OH)2]
2+
, и [Ве
3
(OH)3]3+. Часть бериллия входит в состав взвесей,
образуемых тонкодисперсными глинами и гидроксидами железа и марганца. В
нейтральных водах он образует комплексы с органическими кислотами.
53
Бериллий - высокотоксичный элемент с широким спектром биологического
действия. Вызываемые им нарушения обменных процессов в значительной мере
обусловлены его способностью вытеснять магний, марганец и другие эссенциальные
металлы из молекул ферментов. Проникновение бериллия в ядра клеток приводит к
снижению активности ферментов синтеза ДНК и ошибкам при делении и репликации
дезоксирибонуклеиновых кислот. В опытах на животных установлены и
канцерогенные свойства бериллия: он вызывает развитие аденокарциномы,
плоскоклеточный и другие формы рака. У сухопутных животных бериллий
депонируется в основном в легких и скелете.
Сейчас имеются лишь очень ограниченные сведения о передаче бериллия с
одного трофического уровня на другой. Известно, однако, что некоторые водные
организмы склонны к биоконцентрированию этого элемента. Так, высокое его
содержание обнаружено в клетках крови асцидий. Асцидии это морские сидячие
одиночные и колониальные организмы с длиной тела от 0,1 до 50 см, с мешковидным
телом, покрытым мощной туникой, которое нижним концом прикреплено к
субстрату, а на верхнем конце располагается ротовое и клоакальное (сифон)
отверстия. Все расширяющееся использование бериллия требует более тщательного
изучения его влияния на природные экосистемы, прежде всего способности к
биоконцентрированию и экологической магнификации [22].
Вопросы для самопроверки
1. Каково содержание бериллия в земной коре?
2. Перечислите источники антропогенного загрязнения объектов окружающей
среды бериллием.
3. Каково содержание бериллия в поверхностных водах?
4. Каков спектр биологического действия бериллия?
5. Опишите механизмы передачи бериллия с одного трофического уровня на
другой.
2.1.4 Токсическое действие алюминия. Алюминий относится к числу
наиболее распространенных элементов литосферы и широко используемых
человеком металлов. Общеизвестно его применение в качестве конструкционного
54
материала в машиностроении и строительстве. Многие соединения алюминия
используются в различных отраслях промышленности. Например, сульфат алюминия
служит катализатором, применяется в целлюлозно-бумажной,
деревообрабатывающей и кожевенной промышленности, в качестве коагулянта при
очистке сточных вод и для осветления питьевой воды [24].
Промышленные предприятия сбрасывают значительные количества
растворимых форм этого металла. Так, в стоках алюминиевых комбинатов его
концентрации достигают 1000 мг/л, а в сточных водах предприятий по производству
спиртов и фенолов - 800-1000 мг/л [9].
В почвах алюминий присутствует главным образом в составе четырех групп
минералов:
- гиббсит А1(ОН)з (микрокристаллический и аморфный);
- минералы с отношением Si:А1 = 1:2 (А12SiO
5
), такие как имоголит и
андалузит;
- минералы группы каолинита (А12Si2O5) с отношением Si : А1 = 1 : 1;
- минералы с отношением Si: А1 = 2:1 и брутто-формулой А12Si4O10. Это -
иллит, мусковит, монтмориллонит, пирофиллит и др.
Естественный цикл алюминия в почвах включает его переход из минералов в
растворенные мономерные частицы. При достижении концентрации А1
3+
на уровне
10-5 моль/л и рН почвенного раствора в интервале 5,4-6 происходит полимеризация с
образованием водорастворимой полиядерной формы [А1
1304
(ОН)24(Н
20)12
]+7
Дальнейшая нейтрализация почвенного раствора (рН > 6) ведет к депротонизации Аl13
и осаждению с образованием алюмосиликатных и других минералов. В этот цикл
включается лишь очень небольшая часть содержащегося в почвах алюминия. Однако
ситуация коренным образом изменяется при регулярном закислении почв,
приводящем к ускоренному растворению алюминийсодержащих минералов,
обогащению алюминием почвенных растворов, переходу его из верхних горизонтов
почвенного профиля в нижние и в поверхностные воды [12].
Одной из главных причин перехода алюминия из почв в дренирующие их воды
является выпадение «кислотных дождей». Закисление сельскохозяйственных почв
55
происходит также вследствие регулярного внесения аммонийных удобрений,
поскольку ионы NH4 быстро окисляются в процессах микробиологической и
химической нитрификации (формула (2.4):
(2.4)
При норме внесения в обрабатываемые почвы 50-200 кг М/га вклад
нитрификации в их закисление в 4-16 раз больше, чем вследствие осаждения из
атмосферы Н
2SO4
и НNОз. При этом поступление ионов водорода сильно зависит от
типа удобрений. Например, при внесении 70 кг/га азота в форме (NH4)2SO4 в почве
образуется примерно 7700 г-ион Н
+
, тогда как при нитрификации эквивалентных
количеств NH4NОз, образуется примерно 2500 г-ион Н+ [20].
Алюминий, имеющий большой заряд иона и малый ионный радиус, очень
реакционноспособен. В кислых почвах с рН < 5,0 происходит растворение как
первичных, так и вторичных минералов с переходом алюминия в почвенные
растворы. Его концентрации в таких растворах зависят от рН, количества и типа
минералов, интенсивности обменных реакций с другими неорганическими
компонентами почв и от содержания в них органических соединений со свойствами
комплексообразователей.
По своей способности образовывать комплексы с алюминием органические
кислоты превосходят неорганические лиганды. Считается, что моновалентные
комплексы алюминия с низкомолекулярными органическими кислотами играют
важную роль в миграции этого металла, в том числе вниз по почвенному профилю.
Средние концентрации алюминия в водах большинства озер Северного
полушария составляют сейчас 0,13 мг/л, а в реках -0,70 мг/л. Формы нахождения
алюминия в водах определяются амфотерностью его гидроксида, склонностью к
полимеризации соединений и к включению в состав комплексов. Наиболее
токсичными для водных организмов являются формы А1(ОН)
2+
и А1(ОН)
2
+
,
превалирующие в водах с рН между 5,0 и 5,5. Полулетальные концентрации (ЛК
50
)
таких мономерных неорганических форм для многих пресноводных рыб лежат в
56
пределах 0,1-0,3 мг/л (Вайгинтон, 1994). Гибель рыбы и икры часто связывают также
с образованием полимеров гидроксида алюминия, осаждающихся на жабрах и на
поверхности икринок [21].
Алюминий токсичен и для растений, хотя вызываемое его соединениями
угнетение корневой системы проявляется при довольно высоких концентрациях в
почвенных растворах. Различные виды и даже разные сорта культурных растений
демонстрируют различную устойчивость по отношению к токсическому действию
подвижных форм алюминия. Однако механизм этой устойчивости до конца не
выяснен. Среди имеющихся гипотез относительно воздействия алюминия можно
назвать, например, связывающую устойчивость растений с сорбционной
способностью их корней по отношению к катионам с разными зарядами. Известно,
что одни из них потребляют больше моновалентных катионов К
+
и Na
+
, тогда как
другие требуют больше Са2+и М
2+
. Последние, как правило, более чувствительны к
присутствию в почвах биодоступного алюминия.
В настоящее время имеется слишком мало информации для вывода о
способности алюминия к биоконцентрированию и передаче по пищевым цепям. Мало
также данных о его поступлении в организм человека с питьевой водой и продуктами
питания, хотя необходимость такой информации очевидна, поскольку установлено
нейротоксическое действие этого элемента [24].
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите основные источники антропогенного загрязнения объектов
окружающей среды бериллием.
2. Содержание бериллия в поверхностных и подземных водах.
3. Какие нарушения вызывает накопление бериллия в живых организмах.
4. Приведите примеры использования алюминия в народном хозяйстве.
5. В виде каких минералов алюминий присутствует в почвах?
6. Назовите наиболее токсичные формы алюминия для водных организмов.
57
2.2 Влияние тяжелых металлов на растения
Молибден. Среднее содержание молибдена в почвах составляет 0,0003 %, в
изверженных породах - 0,000154 %, в осадочных породах - 0,00024 %. Больше всего
молибдена находится в болотистых почвах и в почвах тундр. Богатство почв
органическими веществами обусловливает низкий окислительный потенциал среды.
Наиболее растворимы в воде и доступны для растений соединения молибдена в
нейтральной и слабощелочной среде. На кислых почвах молибден мало доступен
растениям, поэтому в таких условиях сказывается положительно внесение
молибденовых удобрений. Влияние молибдена зависит от многих факторов: на
кислых почвах эффект молибдена зависит от содержания подвижного алюминия (чем
больше алюминия, тем выше эффект молибдена). Между молибденом и марганцем
наблюдается обратная зависимость избыток марганца вызывает недостаток
молибдена, и, наоборот, присутствие молибдена улучшает состояние растений (льна),
болеющих на кислых почвах от избытка марганца. Антагонистическая зависимость
наблюдается также между молибденом и медью (молибден вытесняет медь).
Молибден особенно важен для бобовых растений; он концентрируется в
клубеньках бобовых, способствует их образованию и росту и стимулирует фиксацию
клубеньковыми бактериями атмосферного азота. Входя в состав фермента
нитраторедуктазы (являющейся по своему строению молибдофлавопротеином),
молибден восстанавливает нитраты у высших и низших растений и стимулирует
синтез белка в них. Поэтому в условиях недостатка молибдена в растениях
накапливаются нитраты, одновременно уменьшаются азотистая растворимая
фракция и уровень азотистой белковой фракции. Молибден и марганец, по-видимому,
катализируют отдельные реакции, каждая из которых влияет на концентрацию
аминокислот - промежуточных продуктов белкового обмена. Молибден активирует
реакцию, ведущую от нитратов к образованию аминокислот, тогда как марганец, повидимому, активирует дальнейшие фазы превращения аминокислот в белки.
58
Молибден оказывает положительное влияние не только на бобовые растения,
но и на цветную капусту, томаты, сахарную свеклу, лен и др. Растениями-инди-
каторами недостатка молибдена могут быть томаты, белокочанная капуста, пинат,
салат, лимоны.
Молибден необходим не только для процесса синтеза белков в растениях, но и
для синтеза витамина С и каротина, синтеза и передвижения углеводов, использования фосфора.
Болезни молибденовой недостаточности:
- болезнь нитевидности цветной капусты. Выражается в уменьшении листовой
пластинки. Поражает растения на кислых почвах: известкование может
предотвратить появление болезни. Описана преимущественно в Австралии и Новой
Зеландии;
- желтая пятнистость цитрусовых. Выражается в появлении желтых пятен на
листьях, быстро опадающих. При этом значительно уменьшается количество плодов.
Заболевание наблюдается во Флориде (США).
Применяются различные способы внесения молибдена в качестве удобрения.
Так, урожай и сахаристость сахарной свеклы увеличиваются при внесении в почву
путем подкормки в междурядья на 0,5 кг с 1 га, при непосредственном внесении в
почву - на 2,8 кг с 1 га. То же было установлено названным автором при изучении
действия молибдена (молибденовокислого аммония) на урожай семян красного
клевера. На неизвесткованной почве эффект молибдена значительно более выражен.
Ввиду высокой стоимости молибденовых солей рекомендуют применение
предпосевной обработки семян - 0,8 г/л. При этом методе потребность в
молибденовых солях уменьшается в сотни раз. Для внекорневого питания
потребность в молибдате аммония составляет 600 л 0,03 % - 0,05% раствора на 1 га.
Никель. Содержание никеля в почвах составляет 0,004 %, в природных
поверхностных водах — 0,00000034 %. В растениях в среднем содержится 0,00005 %
на живой вес (в зависимости от вида растения, местности, почвы, климата и др.).
Растения в районе никелевых месторождений могут накоплять в себе значительные
количества никеля. При этом наблюдаются явления эндемического заболевания
59
растений, например, уродливые формы астр, что может быть биологическим и
видовым индикатором в поисках никелевых месторождений. Морфологически
измененные анемоны в обогащенных никелем биогеохимических провинциях
концентрируют никель в 30-кратном размере; повышенное содержание никеля в
почвенных растворах и в почвах Южного Урала, обогащенных никелем в 50-кратном
размере, является причиной появления уродливых форм у сон-травы (семейство
лютиковых) и грудницы (семейство сложноцветных).
Критические значения концентрации никеля в питательном растворе - 1,5 мг/кг
и в сухой массе ячменя, выращенного на такой среде - 26 мг/кг. Токсический уровень
этого элемента в листьях растений начинается с превышения 1,0 мг/кг сухой массы.
При усвоении никеля растениями происходит взаимодействие с
содержащимися в почве железом, кобальтом, хромом, магнием, медью, цинком,
марганцем; при этом ионы марганца и магния не ингибируют, а ионы кобальта, меди,
железа и цинка - ингибируют абсорбцию никеля на 25 % - 42 %. Существуют указания
на то, что растения, произрастающие на серпентиновых почвах, не проявляют
признаков токсического повреждающего воздействия никеля, в случаях, если
соотношение медь: никель равно или более 1, или соотношение железо: никель равно
или более 5. Среди растений существует различие в чувствительности по отношению
к воздействию никеля. Токсические уровни никеля в листве растений (млн -1 сухой
массы): рис 20 - 25, ячмень 26, виды твердой древесины 100 - 150, цитрусовые 55 140, сорняки - 154. Типичные симптомы повреждающего токсического действия
никеля: хлороз, появление желтого окрашивания с последующим некрозом, оста-
новка роста корней и появления молодых побегов или ростков, деформация частей
растения, необычная пятнистость, в некоторых случаях - гибель всего растения.
Кобальт. В биосфере кобальт преимущественно рассеивается, однако на
участках, где есть растения - концентраторы кобальта, образуются кобальтовые
месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация
кобальта - в глинах и сланцах в среднем содержится 2·×10-3 % кобальта, в песчаниках
3×10-5, в известняках 1×10
-5
. Наиболее бедны кобальтом песчаные почвы лесных
районов. В поверхностных водах его мало, в Мировом океане его лишь 5×10
-8
%.
60
Будучи слабым водным мигрантом, он легко переходит в осадки, адсорбируясь
гидроокисями марганца, глинами и другими высокодисперсными минералами.
Содержание кобальта в почвах определяет количество этого элемента в составе
растений данной местности, а от этого зависит поступление кобальта в организм
травоядных животных.
Постоянно присутствуя в тканях растений, кобальт участвует в обменных
процессах. В животном организме его содержание зависит от его уровня в кормовых
растениях и почвах. Концентрация кобальта в растениях пастбищ и лугов в среднем
составляет от 2,2×10-5 % до 4,5×10-5 % на сухое вещество. Способность к накоплению
этого элемента у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. В связи с
высокой способностью к концентрации кобальта морские водоросли по его
содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде его
значительно меньше, чем в почвах. Кобальт участвует в ферментных системах
клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота;
стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других
семейств. В микродозах кобальт является необходимым элементом для нормальной
жизнедеятельности многих растений и животных. Вместе с тем повышенные
концентрации соединений кобальта являются токсичными.
Кобальт применяют в сельском хозяйстве как микроудобрения - удобрения,
содержащие микроэлементы (В, Cu, Mn, Zn, Со и др.), т. е. вещества, потребляемые
растениями в небольших количествах.
Марганец. Находится в почвах в среднем в количестве 0,085 %. Однако в
отдельных случаях при высоком общем содержании марганца в почвах количество
усвояемых его форм, переходящих в солянокислую или солевую форму, может быть
явно недостаточно. В среднем растворимая часть Мn в почве составляет 1 % – 10 %
от общего его содержания.
Кислая реакция почвы (при рН ниже 6,0) благоприятствует усвоению
растениями Мn2+; слабощелочная реакция (рН выше 7,5) стимулирует образование
гидрата Мn(ОН)
2
, трудно усваиваемого растениями.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]