Оценка эффективности использования Zn-хелатных удобрений

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Оценка эффективности использования Zn-хелатных удобрений»

Содержание

Введение

1. Агрохимический аспект

1.1 Преимущество цинк-хелатной формы удобрений

1.2 Концентрационный эффект

1.3 Барьерная функция растений

2. Экологические задачи

Список литературы

Введение

Цинк является трофическим элементом, выполняющим ряд важных для растений функций. Первые сведения о цинке как о необходимом элементе питания были получены во второй половине 19 века. В 1926 г. А. Зоммер и С. Липман доказали необходимость цинка для высших растений. Цинк входит в состав многих ферментов в качестве интегрального компонента, выполняя при этом каталитическую или структурную функции. В составе фермента карбоангидразы он катализирует гидратацию СО2 и играет важную роль в поддержании концентрации СО2 в процессе фотосинтеза. Наблюдается прямая связь между интенсивностью фотосинтеза, активностью карбоангидразы и и обеспеченностью растений цинком. В ферменте алкогольдегидрогеназа, Zn-белках, включенных в процессы репликации ДНК и экспрессии генов, цинк выполняет структурную роль.

Цинк входит в состав энзимов, РНК-полимеразы, активирует многие ферменты. Цинк также тесно связан с белковым обменом. Этот металл является структурным компонентом рибосом. Влияние на белковый обмен также может осуществляться через регуляцию активности РНКазы, которая существенно возрастает в условиях дефицита.

Цинк влияет на темпы роста растений, участвуя в синтезе фитогормона ауксина. Металл является важным структурным компонентом биологических мембран, играя роль в их интеграции. Он защищает липиды и белки от окислительной деструкции. Повышение проницаемости мембран рассматривается как типичный признак дефицита элемента. Цинк улучшает водоудерживающую способность растений, повышает их устойчивость к засухе и заболеваниям (Harsharn, Signgh, Grewal, 2001).

Механизм поступления цинка в растения и его дальнейшего распространения по органам не выяснен до конца. Изучение этих механизмов открывает возможности регулирования поступления элемента. Поэтому ряд агрохимических вопросов питания цинком представляет большой интерес в научной среде. При этом необходимо учитывать различные факторы, влияющие на этот процесс: тип питания, влияние гормонов, ботанические характеристики растения, взаимосвязь с фоновым содержанием макроэлементов.

Дефицит цинка - одно из наиболее распространенных нарушений питания растений, особенно в почвах с высоким pH (9), выявленных в урожае зерновых и отраженных на качестве продукции. А также соответствующие симптомы проявляются и у растений, произрастающих на кислых почвах, подверженных сильному выветриванию. При выветривании высвобождается подвижный Zn2+ из пород, в которых цинк присутствует в виде простого сульфида цинка. Zn2+ легко адсорбируется глинистыми минералами и органическими веществами, гидроксидами железа и аккумулируется главным образом в верхних горизонтах. В первом случае недостаток связан с повышением адсорбционного потенциала глинистыми минералами. 95,5 % всех почв РФ испытывают недостаток цинка, что является лимитирующим фактором для урожайности в области минерального питания. Недостаток цинка вызывает серьезные физиологические расстройства: нарушение обмена веществ, повышение проницаемости мембраны и, как следствие, интоксикация фосфором, бором, хлоридами. Характерными внешними признаками недостатка цинка являются заторможенный рост, короткие междоузлия, хлороз, маленькие листовые поверхности. Рост побега подавляется больше, чем рост корневой системы, урожай семян снижается больше, чем вегетативных органов. Симптомы дефицита наблюдаются, если содержание цинка в вегетативной массе меньше, чем 15 мг/кг сухой массы (Битюцкий). Различные виды растений, а также разные генотипы видов проявляют разную толерантность к дефициту цинка. Особенно чувствительны плодовые деревья, бобы, кукуруза, соя , фасоль, хмель, лен (4-6). Менее чувствительны картофель, томаты, лук, люцерна, просо, свекла, красный клевер, совсем не чувствительны овес, пшеница, горох, спаржа, горчица, морковь. Некоторые растения, например, Thlaspi caerulescens (ярутка) , способны извлекать цинк из малодоступных источников в почве и накапливать его значительные количества (до 1-2%).

С явлением дефицита цинка можно бороться путем применения удобрений. Реакция зерновых на внесение цинка различается в зависимости от источника цинка(7,8). В целом, синтезированные хелаты более эффективны как источник микроэлементов, но при этом они являются более дорогостоящими. Стабильность химической связи металл - хелата способствует увеличению количества хелатного металла, доступного растениям. В с/х практике широко распространена практика применения хелатных форм цинковых удобрений. Следовательно, в рамках развития технологий производства цинковых удобрений возрастает интерес к его эффективному использованию. При этом необходимо также затронуть экологические проблемы их использования. С одной стороны это связано с тем, что цинк относится к приоритетно токсическим элементам, поэтому как его недостаток, так и его избыток может привести к губительным последствиям. С другой стороны, искусственно синтезированные удобрения обычно в той или иной степени загрязнен примесями кадмия, который относится к группе тяжелых металлов и негативно воздействует на жизнедеятельность растений.

Таким образом, целью литературного обзора является раскрытие поведения цинка при его поступлении в растения и влияние цинковых удобрений на урожай.

цинк удобрение урожай барьерная функция

1. Агрохимический аспект

1.1 Преимущество цинк-хелатной формы удобрений

Цинк может быть ограничивающим фактором для роста растений. Реакция зерновых на внесение цинковых удобрений меняется в зависимости от источника цинка (10) и почвенных физико-химических свойств (11). Из цинковых удобрений для устранения дефицита цинка главным образом использовались неорганические соли, синтетические хелаты, естественные органические комплексы, и неорганические комплексы. Несколько авторов сообщили о том, что хелаты цинка более эффективны, чем неорганические формы цинка (12-14) . В соответствии с Anderson эффективность воздействия Zn-ЭДTA и Zn-ДTПA на рост превосходит таковую у ZnSO4 как источника цинка Андерсон (15) сообщает, что относительная эффективность различных форм цинка сказываются на росте урожая в следующем порядке: Цинк-DTPA > Цинк-EDTA > Цинк-EDDHA > ZnSO4> Цинк-Rayflex (полифлавонид). Rico и др. (16) нашел, что внесение цинк-EDTA и цинк-лигносульфоната привело к большим увеличениям сухой массы урожая кукурузы, по сравнению с неорганическими источниками..

Цинк может быть найден в следующих формах в почвах:

(i) свободные и комплекcные ионы в растворе почвы, (ii) специфично и неспецифично адсорбированные катионы, (iii), ионы карбонатов почвы и гидроксидов, (iv) в биологических остатках и живых организмах, и (v) в структурной решетке первичных и вторичных полезных минералов. (20).

Фракции металлов в почвах могут быть классифицированы так : водорастворимая, обменная, легкорастворимая, кислоторастворимая, фиксированная , прочнофиксированная и остаточная формы цинка. Доступность Zn растениям управляется скорее динамическим равновесием между различными формами ,чем общим содержанием катиона в почвах (Elsokkary И др, 1978).Растениям доступны растворимые формы цинка. Корни растений поглощают Zn2+ (максимально подвижная форма), в том числе и гидратированную форму, а также комплексные ионы и Zn-органические хелаты.

Стабильность химической связи металл - хелата способствует увеличению количества хелатного металла, доступного растениям. Хелаты - единственные вещества в почве, в которых скорость замещения хелатного металла на другие катионы достаточно низкая.

При применении хелатных форм удобрений необходимо учитывать такие факторы, как устойчивость и подвижность комплексов. Среди факторов, которые решительно влияют на подвижность, и экстрагируемость Zn - pH и концентрация CaCO3 (Adriano, 1986).

В известкованных почвах в случае внесения в качестве цинкового удобрения в виде растворимой неорганической соли цинк фиксируется и выщелачивается, если это - устойчивый комплекс. Подвижность тяжелых металлов в почвах может анализироваться использованием почвенных колонок (Emmerich и другие,1982). Использование этого метода позволяет изучить перемещения и распределения Zn в почве. Метод извлечения Zn с помощью DTPA использовался для определения количества питательного микроэлемента, доступного растениям (Liang и Karamanos, 1993). ALVAREZ и RICO провели опыты по определению относительных подвижностей Zn - EDTA и Zn-лигносульфоната (LS) - хелатов, добавленных в качестве удобрений в колонки карбонатных почв. Zn- EDTA перемещается через субстрат благодаря ирригации и выщелачивается. Приблизительно 51 % цинка выщелачивалось в случае не гранулированных удобрений, но только приблизительно 10 %, когда использовались гранулированные удобрения. Zn - LS мигрировал в малой степени, особенно с гранулированными удобрениями; Zn оставался обычно в верхней зоне столбца и не выщелачивался. Когда добавлялся Zn - EDTA, процент от наиболее лабильных фракций увеличился относительно контрольного образца по всей колонке лишь немного. Zn - LS отобразил более высокие увеличения наиболее лабильных фракций, но только в верхнем уровне столбца. Сопоставление между гранулированными удобрениями и не гранулированными показывает, что внесение первых улучшает действие Zn- EDTA, уменьшая выщелачивание и увеличивая количество доступного Zn, но почти не оказывает полезного эффекта для Zn - LS удобрений. ). Технология контроля была выпущена с целью избежать выщелачивания внесенного Zn и уменьшения, насколько возможно, потерь, вызванных осаждением и закреплением микроэлемента компонентами в почве. Эти программы обеспечивают ряд преимуществ, включая уменьшение риска загрязнения.

Также Alvarez и др. нашли различия для Aquic Haploxeralf (кислые) и Haploxeralf (нейтральные) после применения в эксперименте колонки Цинк-EDDHA, Цинк-EDTA, Цинк-гептаглюконата, полифлавонида цинка, Цинк лигносульфоната, и Цинк-фенолята. В кислой почве, внесение шести органических комплексов цинка привело к очень малому перемещению цинка по колонке и очень небольшому выщелачиванию цинка в колонках почвы. Тот же самый эффект оно имело и в нейтральной почве, за исключением внесения цинк-EDTA, который привел к потере цинка через выщелачивание. Чтобы оценить косвенно потенциальную подвижность и биодоступность металлов в почвах были использованы последовательные процедуры извлечения.

Подвижность цинка на глубине зависит от текстуры почвы (гран состава). Движение цинка, включенного в почвенный раствор, тесно связано с проницаемостью профиля. Отмечено большее влияние на проницаемость структуры почвы, чем гран состава.

Измерение общего содержания цинка в почве не дает точную информацию о количестве этого микроэлемента в форме, доступной растениям. Распределение металлов по различным фазам и формам , в которых они могут находиться в почвах, может быть определено путем однократного или последовательного выделения. Распределение цинка зависит от типа экстрагирующих реагентов и последовательности экстракции. Извлеченный DTPA- и Mehlich-3- Zn подсчитывают для оценки доступности растениям в многочисленных почвах по всему миру. Четкая взаимосвязь наблюдается между Zn , доступным растениям, и лабильными фракциями почвенного цинка . Эти фракции являются самыми подвижными в почве и обладают высокой способностью выщелачиваться по сравнению с остальными формами .

Когда в почву вносится концентрированный раствор цинкового удобрения, химический состав почвенного раствора резко меняется и изменяется химическая доступность цинка как питательного вещества. После обработки почвы доступность цинка уменьшается главным образом вследствие его преобразования в другую форму, менее доступную. Миграция и вымывание различных питательных веществ обычно контролируется с помощью почвенного профиля методом почвенных колонок.

1.2 Концентрационный эффект

Цинк является легким биогенным элементом, и размах его приемлемых концентраций в среде обитания растений очень широк. Для микро- и ультрамикроэлементов, относящихся преимущественно к группе тяжелых металлов, оптимальный или безвредный интервал концентрации узок. Накопление многих из них в растении представляет определенную опасность для здоровья людей и животных, отрицательно сказывается на гигиеническом качестве продукции, приводит к снижению урожайности.

Отсутствие подвижных форм многих ультрамикроэлементов в почве или питательном субстрате не сказывается на росте и развитии растений, что говорит об их ненужности растениям. Однако наличие растворимых соединений этих элементов в почвах приводит к их поступлению в ткани растений. Так, в растениях накапливаются элементы второй группы периодической системы Менделеева: цинк, кадмий, ртуть. Если о первом из них известно, что он необходим для растений и без него в организме нарушается нормальный обмен веществ, тормозится рост, прекращается образование семян, то о кадмии и ртути можно сказать однозначно: они очень токсичны и оказываются в растении случайно, в результате загрязнения почв этими металлами.

Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения относительной атомной массы. Ионы Cd, Zn и др. относят к группе умереннотоксичных элементов. Умереннотоксичными принято считать те элементы, которые оказывают ингибирующее действие при концентрациях от 1 до 100 мг/л.

Токсичность тяжелых металлов может проявляться по-разному. Многие металлы при токсичных концентрациях ингибируют активность ферментов. Кадмий, наряду со ртутью, свинцом, медью, бериллием ингибирует главным образом щелочную фосфатазу, каталазу, оксидазу и рибонуклеазу. Токсическое действие на растения высоких концентраций цинка может проявляться в нарушении поступления и распределения других элементов. Выступая в качестве антагониста железа, цинк вызывает хлороз растений, при этом уменьшается поглощение железа и нарушается его продвижение [Воскресенская О.Л.; Чернавина И.А.; Аксенова В.А.].Отдельные тяжелые металлы взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость и другие свойства. Cd иногда вызывает разрыв клеточных мембран. Некоторые тяжелые металлы конкурируют с необходимыми растению металлами и нарушают их важнейшие функциональные роли. Высокая фитотоксичность кадмия объясняется его близостью по химическим свойствам к цинку. Поэтому кадмий может выступать в роли цинка во многих биохимических процессах, нарушая работу таких ферментов, как карбоангидраза, различные дегидрогеназы, фосфатазы, связанные с дыханием и другими физиологическими процессами, а также протеиназ и пептидаз, участвующих в белковом обмене, ферментов нуклеинового обмена и др. Как химический аналог цинка кадмий может заменять его в энзиматической системе, необходимой для фосфорилироваиия глюкозы и сопровождающей процесс образования и потребления углеводов.

Замещение цинка кадмием в растительном организме приводит к цинковой недостаточности, что в свою очередь вызывает угнетение и даже гибель растения.

Фитотоксичность металлов и устойчивость к ним растений зависят от многих условий. Существенное значение имеет количество металла, находящегося в почвенном растворе. Есть виды растений, способные концентрировать отдельные тяжелые металлы без видимых признаков угнетения. На фитотоксичность металлов влияют почвенные факторы, такие, как рН, катионная обменная способность почвы, содержание органического вещества. Сохранение рН в пределах 7,0 в почвах с существенным содержанием тяжелых металлов предотвращает фитотоксичность многих из них, но те же концентрации металлов при рН 5,5 и ниже могут стать летальными для растений. Кислотность почв влияет на подвижность металлов и усвоение их корневыми системами растений.

Органическое вещество почвы неодинаково удерживает различные металлы. Одни из них фиксируются им сильно, другие -- слабо. Изменение таких условий выращивания растений, как освещенность, температура и увлажнение, влияет на передвижение и трансформацию тяжелых металлов в почвенной среде и растениях, а также на взаимодействие между растением и металлами.

Большое влияние на поступление ТМ в различные органы растений оказывают другие ионы. Обеспечение сельскохозяйственных культур элементами питания влияет на толерантность к тяжелым металлам. Агротехнические приемы, такие, как удобрение, известкование и др., могут снижать или усиливать токсический эффект металлов. При хорошем обеспечении почвы макроэлементами (прежде всего азотом) и неостром дефиците микроэлементов (ТМ) происходит быстрое нарастание надземной биомассы, особенно листьев, и одновременно снижается ее насыщенность дефицитными микроэлементами. При создании благоприятных условий для развития растений путем внесения основных элементов питания - азота, фосфора и калия, доля кадмия в зерне резко снижалась: на фоне 1NPK до 14-32%, на фоне 1,5NPK до 13-29% . Так, фосфорные и азотно-фосфорные удобрения увеличивали концентрацию Cd в тканях .

Одной из причин токсического эффекта ТМ и высоких доз МЭ является их негативное действие на поступление питательных элементов. В исследованиях Н.Ю. Гармаш отчетливо проявилось негативное влияние избытка Zn в среде обитания на элементный химический состав сельскохозяйственных культур: при обилии этих металлов резко уменьшалось количество фосфора, кальция, магния. Увеличение содержания Zn, Pb и Cd способствует повышению содержания в растениях азота. Содержание азота в соломе ячменя на дерново-подзолистой почве при дозе Cd 100 мг/кг (содержание кадмия в ячмене 55,9 мг/кг) увеличилось по сравнению с контролем на 125%, на черноземе - на 33% [97]. ТМ оказывают стимулирующее действие на поступление азота в растения клевера. Так содержание общего азота возрастало на 12% в вариантах с внесением Pb и Cd [5]. Независимо от типа устойчивости к Cd сортов пшеницы, присутствие кадмия в растворе вызывает угнетение накопления азота в тканях листьев и корней пшеницы. В корнях низкоустойчивых к кадмию сортов концентрация азота снизилась на 28,6%, высокоустойчивых - на 35%, при этом в листьях наблюдается одинаковое падение содержания азота (29,2 и 30% соответственно) [8]. При высоком содержании Zn и Cd происходит его взаимодействие с фосфат-ионами. Вследствие образования малоподвижных солей фосфорное питание растение становится недостаточным, отмечается обеднение этим элементом тканей .

Несмотря на разноречивые данные, в большинстве случаев ТМ влияют на поглощение ионов, тормозя поглощение как катионов (K+, Ca2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+ Fe3+), так и анионов (NO-3). Присутствие в растительном организме токсических ионов приводило к различным (в зависимости от иона и вида растений) нарушениям элементного состава тканей. Кадмий снижал содержание азота, фосфора, калия и марганца в листьях и корнях пшеницы. По данным Соловьевой Ю.Б., кадмий, внесенный в почву в дозе 5 и 10 мг/кг, снижал содержание азота в ячмене с 2,4 до 2,1 и 1,8% соответственно; фосфора - с 0,74 до 0,61 и 0,59%; калия - с 1,7 до 1,5 и 1,4%.

Физиологическая роль цинка тесно связана с его участием в азотном обмене. Недостаток цинка приводит к значительному накоплению небелковых соединений азота (амидов и пр.). Сильно возрастает суммарное количество свободных аминокислот. Обильное питание азотом, усиливает признаки недостатка цинка в растениях. При этом цинк может накапливаться в корнях, пропорционально содержанию белкового азота. Некоторые исследователи отмечают накопление в растениях нитратов, связанное с дефицитом цинка. Большой интерес представляет вопрос о вхождении цинка в состав глутаматдегидрогеназы, являющейся ключевым ферментом азотного обмена. В настоящее время обсуждается вопрос влияния цинка на метаболизм азота в зависимости от форм азота, обеспечивающих питание растений. Вопрос связи цинка с азотным обменом остаётся актуальным.

Влияние цинка на утилизацию фосфора растениями установлено в работах ряда исследователей. Авторы (С.А. Сташаускайте, Г.С. Навайтене, Р.И. Жлабене, 1972) считают, что под действием цинка тормозится накопление фосфора корнями и транспорт его в надземные части растения, и сопряжено это с подавлением активности дефосфорилирующих ферментов. Reed,1946 впервые гистохимическими методами установил в случае дефицита цинка высокую концентрацию неорганического фосфора и высокую активность фосфатазы и предположил, что при недостатке цинка нарушается процесс фосфорилирования. В опытах с ячменём недостаток цинка приводит к резкому увеличению содержания неорганического фосфора (Fujiwara, Tsutsumi, 1960). Показано, что при недостатке цинка увеличивается поступление фосфора в растения у гороха и томатов, но нарушается его утилизация (снижается его содержание в составе нуклеотидов, липидов и нуклеиновых кислот). После добавления цинка в питательный раствор использование поглощённого фосфора нормализуется.

Из изложенного видно, что установить величину фитотоксичности металла для растений и микроорганизмов, населяющих почвы, достаточно трудно. Эту задачу приходится решать каждый раз для различных растений с учетом их чувствительности к металлам, а также на различных почвах для одного и того же вида растений с учетом применения удобрений и мелиорантов и генетических особенностей почвы. Поэтому мы обнаруживаем в работах различных исследователей разную оценку фитотоксичности одного и того же металла.

Хотя обычные концентрации кадмия в растительном материале находятся в пределах от 0,2 до 0,8 мг/кг, необходимость этого элемента для растений не доказана в отдельных случаях в разных видах растений содержание этого элемента может достигать 80 мг/кг и более, что связано со снижением урожайности на 25%. Такие овощи, как салат и шпинат, могут содержать 100 мг/кг кадмия и при этом не давать видимых проявлений отравления. Загрязненные растения могут содержать даже до 400 мг/кг кадмия и более (Kloke A., Schenke H., 1974). В противоположность другим минеральным элементам, за исключением цинка, кадмий может накапливаться в относительно больших количествах в генеративных органах. В среднем его содержание в зерне увеличивается с 0,2 до 4 мг/кг (в соломе с 0,1 до 12 мг/кг).

В опыте Р. И. Первуниной с соавторами (1981) при выращивании ячменя в питательных растворах, содержащих кадмий в концентрациях от 0,5 до 100 мг/л, было отмечено, что у растений при добавлении кадмия в питательную среду не происходило образования колосьев, а концентрация 100 мг/л оказалась летальной (растения гибли на 2-й месяц роста). Концентрация кадмия 10 мг/л приводила к снижению массы растений на 50% по сравнению с контролем.

Обычно содержание цинка в бедных хлорофиллом растениях 7-27мг/кг сух. в-ва, а богатых хлорофиллом - 40-95мг/кг. В целом оно колеблется в пределах от 1.2 (яблоки) до 73 (салат) мг/кг сухого вещества. Высокое содержание цинка свойственно лишайникам и хвойным растениям. Проявление признаков токсичности Zn у растений наступает при содержании его в тканях 300-500 мг/кг сухого вещества. Злаковые зерновые культуры менее отзывчивы к избытку цинка, чем в бобовые II. Симптомы же дефицита цинка наблюдается при содержании меньше 15 мг/кг сухого вещества в органах растений.

1.3 Барьерная функция растений

Исследования, проведенные Ильиным в Новосибирске , касались изучения массопотока ТМ в растительную продукцию. В Новосибирске свинец является общегородским загрязнителем почвы, а цинк -- часто встречающимся. Источники этих поллютантов - выбросы в атмосферу, стоки, твердые отходы, а их конкретные "продуценты" -- в первую очередь предприятия цветной и черной металлургии и автотранспорт . Здесь валовое количество цинка и свинца может локально превышать местный фон в десятки раз и более. Казалось бы получение на таких почвах экологически чистой растительной продукции невозможно. Но это не так. Исследования в городах Западной Сибири показали, что основные огородные культуры в состоянии сохранять экологическую чистоту продукции. Этот факт объясняется тремя причинами: низкая растворимость поступающих в почву атмосферных выбросов, способность почвы в значительной мере инактивировать их подвижную часть и защитные (барьерные) возможности сельскохозяйственных культур.

Совокупность буферной способности почвы по отношению к тяжелым металлам и защитных приспособлений растений по ограничению поступления избыточных ионов принято называть экологическим потенциалом системы почва-растение. Очевидна, следовательно, необходимость изучения барьерных свойств пахотных земель и выращиваемых на них сельскохозяйственных культур.

Было установлено, что в условиях загрязнения увеличивалось поступление цинка и свинца в растения. Между валовым содержанием тяжелых металлов в почве и их концентрацией в растениях существует прямая корреляционная связь, которая, однако, никогда не бывает полной. Ограниченное поступление ТМ из загрязненной почвы в растения, особенно в орган запасания ассимилятор, находит отчетливое отражение в их массопотоке. Начальным звеном здесь выступает общий запас (запас мобильных форм) поллютанта в почве, конечным -- величина его накопления в основной растительной продукции.

Первым барьером на пути ТМ из почвы в надземную часть является покровная ткань корней, обладающая значительной адсорбирующей способностью [22]. Корневые выделения являются мощным фактором инактивации ионов тяжелых металлов . Согласно оценочным данным, корневые выделения могут составлять до 5-6% от вегетативной массы растений. Годичная масса углерода в корневых выделениях зерновых культур колеблется в пределах 450-990 кг/га, что в два раза превышает массу этого элемента, заключенную в корнях на момент уборки урожая [16]. В выделениях присутствуют разнообразные органические соединения-комплексообразователи. В корне они передвигаются по аппопласту до эндосперма и с трудом проходят эндотермальный барьер [21]. При проникновении токсичных элементов в цитоплазму растительных клеток там образуются аналоги антител у животных - фитоалексины и фитохеланины. Эти вещества хелатируют до 90% металлов, поступающих в клетку [23]. Некоторую защитную роль могут выполнять клетки пояска Каспари [Ильин, Гармаш ] Поступление и накопление биофильных элементов, таких как цинк, происходит по-другому. Отсутствие влияния ингибиторов дыхания на процесс поглощения Zn65 свидетельствовали о его преимущественно пассивном поступлении в растение (Cheryl et.al., 1971).

Поступившие в растения избыточные ионы не распределяются равномерно по всей фитомассе. Происходит дифференциация концентрации поллютантов по отдельным органам растения: наибольшее количество обнаруживается в корнях, меньшее - в стеблях и листьях, минимальное - в органах запасания ассимилятов (плодах, семенах и т.д.) - главном ресурсе пищи для человека и корма для животных. Сафоновым С.И. и Литинской Т.К. был сделан вывод, что корневая система ячменя способна накапливать значительные количества тяжелых металлов, препятствуя тем самым их поступлению в вегетативные и особенно генеративные органы растения. Опытные растения выращивались в вегетационных сосудах с песком на питательном растворе Кнопа. Для моделирования загрязнения в сосуды добавляли нитрат кадмия в концентрациях 0,1 мМ и 0,2 мМ. Содержание кадмия в зерне не превышало 0,4 мкг/г, что в 2000 раз меньше, чем в корнях. По данным Лукина С.В. и соавт., концентрация Cd в соломе зерновых была в 1,7-4,7 раза выше, чем в зерне . Выращивание ячменя на почве загрязненной Cd в дозах 1; 5 и 10 мг/кг почвы приводило к увеличению содержания токсиканта в соломе, по сравнению с зерном, в 2,3; 6,6 и 7,7 раз соответственно на неокультуренной почве и в 22 раза на окультуренной почве (доза Cd 10 мг/кг) .

Такое распределение свидетельствует, как можно полагать, о наличии механизмов защиты от опасных для процессов метаболизма концентраций химических элементов, а заботу о постоянстве их содержания именно в семенах допустимо трактовать как эволюционное приспособление - генетически закреплённое свойство растительного организма сохранить для следующего поколения информацию о видовом элементном химическом составе, к формированию которого молодые растения должны стремиться, чтобы обеспечить себе комфортные условия существования.

Реализация этого, по-видимому, общего для высших растений процесса (аналогичную закономерность распределения поллютантов по органам в различных культурах обнаружили многие исследователи), протекает у цинка и кадмия неодинаково (сравнивались равные дозы).

Распределение металлов по органам пшеницы, выросшей на незагрязненной почве, резко различное: для цинка характерна базипетальная направленность (увеличение концентрации от корней к зерну), для свинца - противоположная ей - акропетальная. Т.е поступление цинка в надземные органы происходит более успешно. Такое распределение, надо полагать, отражает неодинаковую биофильность цинка и свинца. Различие в распределении обусловлено повышенной потребностью генеративных органов растений в цинке-микроэлементе (самая высокая концентрация цинка отмечена в зерне) и проявлением защитных (даже на незагрязненной почве!) свойств растений по отношению к "ненужному" свинцу (самое высокое содержание свинца обнаружено в корнях). Лукин и соавт. отмечают, что накопление Zn в ячмене имеет прогрессивный характер, т.е. при линейном увеличении содержания этого металла в почве темпы его поступления в растения имели тенденцию к ускорению. Содержание Zn в зерне возрастало с 21,7 до 115,1, а в соломе с 17,4 до 110,3 мг/кг. Таким образом, различие объясняется эволюционно закрепленной реакцией растений на постоянный дефицит микроэлемента - цинка в почвах, о чем уже говорилось выше. Защитные реакции у растительного организма на вдруг возникшее его обилие оказываются не столь совершенными или же они отсутствуют вовсе. Возможно, именно это обстоятельство, как показали опыты с высоким содержанием доступного цинка в почве, приводит растения к гибели [4].

2. Экологические задачи

Делать выводы о возможных механизмах трансформации техногенных соединений ТМ в почве при техногенном загрязнении почв и об их дальнейшей судьбе по данным общего содержания или по их содержанию в какой-либо отдельно взятой вытяжке затруднительно. Наличие разных фракций ТМ, отличающихся как по подвижности и биологической доступности, так и по механизмам закрепления в почве, предполагает их детальное изучение [4].

Для оценки влияния одних элементов на поведение в почве других могут быть использованы различные подходы. Чаще всего используются методы, позволяющие получить параметры уравнений сорбции и на их основе сравнить поведение элементов. Другой подход к оценке взаимного влияния ионов ТМ на их поглощение почвой основан на изучении перераспределения ионов между почвенными реакционными центрами при помощи методов последовательных селективных вытяжек (ПСВ). На сегодняшний день получено много данных о содержании в почвах разных типов различных соединений ТМ и разработаны методы их разделения (фракционирования).

В исследованиях Д.В. Ладонина и О.В. Пляскиной изучались распределения тяжелых металлов (меди, цинка, кадмия и свинца) по фракциям при полуэлементном загрязнении на четырех вариантах эксперимента -варианты с разным внесением в почву ТМ : (фон) 0 ммоль/кг, 1, 5, 10 ммоль/кг.

По мере увеличения степени загрязнения почв ТМ происходит последовательное изменение фракционного состава всех четырех элементов . При слабом уровне загрязнения наблюдается относительно высокое увеличение содержания фракций металлов, более прочно связанных с почвой, затем по мере заполнения ионами металлов почвенных реакционных центров содержание менее прочно связанных с почвой фракций металлов увеличивается. Процентное содержание остаточной фракции при увеличении загрязнения уменьшается. Это объясняется тем, что внесенные загрязняющие вещества не успевают связаться с минеральной частью, а фиксируются другими способами или остаются в растворе.

Результаты исследования образцов дерново-подзолистой почвы показали, что наибольшее количество цинка в незагрязненной почве соответствует остаточной фракции, т.е. прочно связанной с кристаллическими решетками минералов, около 30% находится во фракциях, связанных с органическим веществом. Хорошо выраженной является фракция цинка, связанного с несиликатными соединениями железа, т. е. цинк достаточно сильно адсорбируется на поверхности оксидов и гидроксидов железа. Количество переходящего в водную вытяжку цинка в фоновом варианте незначительно (<1%). В случае слабого загрязнения процентное содержание прочно связанного с органическим веществом цинка понижается, а увеличивается фракция специфически сорбированных ионов (до 22%). Уже начиная со среднезагрязненной почвы (третий вариант) становится ясно, что такое количество цинка почва фиксировать не в состоянии: резко увеличивается процентное содержание обменного и переходящего

в водную вытяжку цинка. При дальнейшем увеличении уровня загрязнения дополнительно поступивший в почву цинк практически перестает прочно удерживаться почвой и остается во фракции, переходящей в водную вытяжку;

Кадмий и цинк объединяет более низкая способность этих элементов (по сравнению с медью и свинцом) образовывать с почвенными реакционными центрами прочные связи. Даже в фоновом варианте наибольшее количество кадмия находится в ионообменном состоянии (28%). Среди ионов кадмия, связанных с органическим веществом, преобладает непрочно связанная фракция, извлекаемая ЭДТА. При низком уровне загрязнения (второй вариант) дерново-подзолистая почва не способна прочно закреплять большое количество этого элемента. Около половины кадмия, связанного почвой, переходит в обменную фракцию и около 40% - во фракцию специфически сорбированных ионов. С увеличением степени загрязнения доля обменного кадмия увеличивается, пока не доходит до некоторого максимального количества (около 62%). Весь оставшийся кадмий почвой закрепиться не может и остается в растворе. Таким образом, кадмий проявляет небольшое сродство как к минеральным, так и к органическим почвенным компонентам.

Анализы, проведенные на черноземе выщелоченном показали, что в незагрязненном черноземе, как и в дерново-подзолистой почве, для цинка наибольший процент составляет остаточная фракция. Однако распределение по другим фракциям в исследованных типах почв несколько различается. Переходящие в водную вытяжку соединения в черноземе практически не выделяются. Мало и содержание фракции, прочно связанной с органическим веществом. Довольно большой процент цинка закрепляется за счет ионного обмена. При внесении дополнительных количеств цинка его закрепление идет с помощью трех механизмов: ионного обмена, специфической сорбции и образования комплексов с органическим веществом, причем на начальных стадиях загрязнения (второй вариант) картина такая: непрочно связанная с органическим веществом фракция > специфически сорбированных ионов > обменная фракция. Но уже во втором варианте она меняется на противоположную: непрочно связанная с органическим веществом фракция < специфически сорбированных ионов < обменная фракция. Видно, что по мере увеличения степени загрязнения цинк сначала связывается с почвой все менее и менее прочно, и, наконец, в четвертом варианте часть цинка остается в несвязанном с почвой состоянии.

Таким образом, по сравнению с дерново-подзолистой почвой в выщелоченном черноземе существуют более благоприятные условия для закрепления цинка. Однако и в этом случае медь и свинец поглощаются гораздо более эффективно.

Распределения кадмия в черноземе и в дерново-подзолистой почве похожи. Как и в дерново-подзолистой почве, в черноземе одним из основных механизмов связывания кадмия является ионный обмен. Главное отличие состоит в преобладании в выщелоченном черноземе прочно связанной с органическим веществом фракции над непрочно связанной, а также большое количество (почти 40%) кадмия остаточной фракции. Переходящий в водную вытяжку кадмий в фоновом черноземе отсутствует. Поведение кадмия при загрязнении выщелоченного чернозема отличается от его поведения в загрязненной дерново-подзолистой почве. Если в дерново-подзолистой почве при внесении загрязняющего вещества наблюдается резкое увеличение обменной, а также специфически сорбированной фракции кадмия, то в выщелоченном черноземе поведение кадмия несколько напоминает поведение цинка. Сначала кадмий закрепляется преимущественно за счет комплексообразования с органической частью почвы и частично за счет специфической сорбции.

При дальнейшем загрязнении начинает увеличиваться и доля обменного кадмия. В максимально загрязненном варианте три вышеперечисленные фракции становятся преобладающими, остальные составляют незначительную часть. При максимальном уровне загрязнения в обоих типах часть кадмия остается в растворе.

В черноземе выщелоченном, отличающемся от дерново-подзолистой почвы большим содержанием органического вещества, сокращения доли цинка и кадмия во фракции за счет увеличения доли меди и свинца практически не происходит. Вместо этого мы наблюдаем конкурентное взаимодействие между кадмием и цинком, приводящее к снижению доли цинка и значительному увеличению доли специфически сорбированного кадмия.

Таким образом, при загрязнении почвы ТМ исходное соотношение фракций ТМ меняется. Ионы ТМ, поступающие в почву при ее загрязнении, прежде всего реагируют с теми почвенными реакционными центрами, к которым они имеют наибольшее сродство. Это приводит к тому, что при низком уровне загрязнения увеличивается доля фракций, соответствующих прочно связанным с почвой ионам ТМ. При дальнейшем усилении степени загрязнения растет доля фракций, соответствующих непрочно связанным ионам ТМ. Дерново-подзолистая почва обладает меньшей поглотительной способностью по отношению к ТМ, чем чернозем выщелоченный. Химические свойства этой почвы позволяют прочнее связывать большее количество ионов ТМ. Цинк и кадмий фиксируются почвой плохо и даже в черноземе не закрепляются полностью. Для этих элементов при низком уровне загрязнения характерна специфическая сорбция предположительно минеральными почвенными компонентами. При высоком уровне загрязнения большое значение для закрепления почвой Cd и Zn имеет ионный обмен. Значительная часть ионов этих элементов при максимальном уровне загрязнения не поглощается почвой, а остается в составе фракции, переходящей в водную вытяжку.

При одновременном присутствии в системе ионов нескольких ТМ между ними наблюдается конкуренция за возможность прочно закрепиться в почве. При этом происходит относительное увеличение содержания во фракции металла, способного образовывать с почвенными реакционными центрами более прочные связи. Одновременно с этим во фракциях, соответствующих слабо связанным ионам ТМ, растет доля элементов, которые не смогли закрепиться в почве более прочно вследствие конкуренции со стороны других элементов.

Список литературы

1. Lindsay, W. L. Chelate equilibria. In Chemical Equilibria in Soils; John Wiley and Sons: New York, 1979; pp 238-263.

2. Kabata-Pendias, A. Soil-plant transfer of trace elements An environmental issue. Geoderma 2004, 122, 143-149.

3. Битюцкий

4. Longnecker, N. E.; Robson, A. D. Distribution and transport ofzinc in plants. In Zinc in Soils and Plants; Robson, A. D., Ed.; Developments in Plant and Soil Sciences 55; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, The Netherlands, 1993; pp 33-44.

5. Goos, R. J.; Johnson, B. E.; Thiollet, M. A comparison of the availability of three zinc sources to maize (Zea mays L.) under greenhouse conditions. Biol. Fertil. Soils 2000, 31, 343-347.

6. Jones, J. B., Jr. In Laboratory Guide for Conducting Soil Tests and Plant Analysis; CRC Press: Boca Raton, FL, 2001.

7. Boawn, L. C. Comparison of zinc sulphate and Zn EDTA aszinc fertilizer sources. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 1973, 37, 111-115.

8. Westfall, D. G.; Gangloff, W. J.; Peterson, G. A.; Mortvedt, J.J. Organic and inorganic fertilizers: Relative availability. Colorado Agricultural Experimental Station Technical Bulletin,TB01-1; Colorado Agricultural Experimental Station: 2000.

9. Takkar, P. N.; Walker, C. D. The distribution and correction ofzinc deficiency. In Zinc in Soils and Plants; Robson, A. D., Ed.; Developments in Plant and Soil Sciences 55; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, The Netherlands, 1993; pp 151-160.

10. Murphy, L. S.; Walsh, L. M. Correccio?n de deficiencias demicronutrientes o fertilizantes. In Micronutrientes en Agricultura; Mortvedt, J. J., et al., Eds.; AGT Editor: Me?xico, D. F., Me?xico,1983; pp 379-424.

11. Marschner, H. Zinc uptake from soils. In Zinc in Soils and Plants;Robson, A. D., Ed.; Developments in Plant and Soil Sciences 55; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, The Netherlands, 1993; pp 59-77.

12. Prasad, B.; Sinha, M. K.; Randhawa, N. S. Effect of mobile chelating agents on the diffusion of zinc in soils. Soil Sci. 1976, 122, 260-266.

13. Mortvedt, J. J.; Gilkes, R. J. Zinc fertilizers. In Zinc in Soilsand Plants; Robson, A. D., Ed.; Developments in Plant and Soil Sciences 55; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, TheNetherlands, 1993; pp 33-34.

14. Shuman, L. M. Micronutrient fertilizers. J. Crop Prod. 1998, 1, 165-195.

15. Anderson, W. B. Zinc in soils and plant nutrition. AdV. Agron. 1972, 24, 147-186.

16. Rico, M. I.; Alvarez, J. M.; Mingot, J. I. Efficiency of zinc ethylenediamine-tetraacetate and zinc lignosulfonate soluble and coated fertilizer for maize in calcareous soil. J. Agric. Food Chem. 1996, 44, 3219-3223.

17. Hodgson, J. F. Contribution of metal-organic complexing agents to the transport of metals to roots. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 1969, 33, 68-75.

18. McBride, M. B. Reactions controlling heavy metals solubility in soils. AdV. Soil Sci. 1989, 10, 1-56.

19 Modaihsh, A. S. Zinc diffusion and extractability as affected by zinc carrier and soil chemical properties. Fert. Res. 1990, 25,85-91.

20. Reed, S. T.; Martens, D. C. Copper and zinc. In Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods; Spark, D. L., Ed.; SSSA Book Series 5; SSSA and ASA: Madison, WI, 1996; p 706.

21. 81. Серегин И. В., Иванов В. Б. Гистохимические методы изучения распределения кадмия и свинца в растении//Физиология растений, 1997. Т44. с. 915-921

22. 43. Колосов Н.И. Поглотительная способность корневых систем растений. М.1962. 86с.

23. 71. Пищулина Н. Л. Влияние ТМ на растения // Изучение, охрана и рациональное использование природных ресурсов. Т.2 -Уфа, 1989, с.27

24. Сафонов С.И., Литинская Т.К. Накопление кадмия разными органами взрослых растений ячменя. Экол. аспекты биол. исслед..-М., 1999.-С. 30-34.

24. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. // Л.: Агропромиздат. 1987. 141с.

25. Лукин С.В. Эколого-агрохимические основы адаптивных систем земледелия для эрозионно опасных и загрязненных тяжелыми металлами агроландшафтов в ЦЧР. 1999

26. Лукин С.В., Солдат И.Е., Пендюрин Е.А. Закономерности накопления цинка в сельскохозяйственных растениях. Агрохимия, 1999, №2, с.79-82

Размещено на Allbest.ru