Моделирование содержания тяжелых металлов в кормовых культурах, возделываемых в Курской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

_______________________________________________________________________________________

Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии.-2010.-№3.

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование содержания тяжелых металлов в кормовых культурах, возделываемых в Курской области

О.А. Тутова, И.В. Глебова

Аннотация

Современное эффективное сельскохозяйственное производство регламентируется принципами естественного круговорота веществ в биосфере, сбалансированными взаимоотношениями между почвой, растениями и животными. Рассмотрено изменение физико-химических свойств почв под воздействием техногенеза и его влияние на качество кормов, физиологическое состояние сельскохозяйственных животных и качество жизни человека.

Ключевые слова: тяжелые металлы, сельскохозяйственная продукция, трофические цепи, цинк, марганец, медь, кормовые культуры.

В настоящее время одной из приоритетных является проблема техногенного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. В связи с этим экологически обоснованное сельское хозяйство активно развивается в мире и укрепляет свои позиции в России. Поскольку органическое сельскохозяйственное производство - это способ производства, учитывающий принципы естественного круговорота веществ в биосфере, сбалансированные взаимоотношения между почвой, растениями и животными, то одной из главных задач является обеспечение строгого контроля всего процесса производства, начиная с выбора территорий, кончая контролем конечного продукта. Таким образом, возникает острая необходимость проведения систематического мониторинга всех звеньев трофических цепей с целью предотвращения попадания антропогенных загрязнителей в организм сельскохозяйственных животных и человека.

Изменение физико-химических свойств почв под воздействием техногенеза во многом определяет качество кормов и растительной продукции, а, следовательно, физиологическое состояние сельскохозяйственных животных и качество жизни современного человека. В частности, сельскохозяйственная продукция, выращенная на загрязненной почве, представляет потенциальную опасность для здоровья людей. Результатом увеличения содержания токсичных тяжелых металлов в кормах и продуктах питания могут стать микроэлементозы, а в более тяжелых случаях - острые пищевые отравления.

В проведенном исследовании изучались одни из наиболее опасных тяжелых металлов загрязняющие почвы сельскохозяйственных угодий и выращиваемые на них культуры - медь, цинк и марганец. Для понимания факторов, регулирующих поступление тяжелых металлов в каждое звено трофической цепи, было необходимо установить не только их химическую реакционную способность, валовое содержание и долю свободных и связанных форм металлов в почвах сельскохозяйственного назначения, но, что не менее важно, их биологическую доступность и токсичность. Так, небольшие концентрации цинка являются жизненно необходимыми для растений. Характерный признак для всех сельскохозяйственных культур, страдающих от недостатка цинка - задержка роста и почти полное прекращение роста междоузлий. У плодовых деревьев дефицит цинка вызывает розеточность листьев, которые формируются мелкими и составляют лишь десятую часть нормальной величины. В отличие от марганца, накапливающегося у растений преимущественно в листьях, цинк более всего концентрируется в семенах, преобладая в зародыше. Это определяет общебиологическое значение соединений элемента в процессах размножения. Установлено [4.-С. 125], что ни одна из субклеточных структур, в частности хлоропласты и митохондрии, не выделяются исключительной способностью концентрировать цинк. Около 80% цинка в листовой ткани томатов находится в клеточном соке в ионной форме или в виде низкомолекулярных соединений, около 10% - в белках цитоплазмы и приблизительно столько же - в митохондриях [2.-С. 147-151, 4.-С. 125].

Физиологическая роль цинка у растений определяется его вхождением в состав большого количества металлоферментных комплексов, например, дегидрогеназ. Установлено [4.-С. 126], что Zn²⁺ специфично активирует различные дегидразы (дегидразу глютаминовой кислоты, дегидразу спиртов, дегидразу молочной кислоты), а также некоторые пептидазы (дегидропептидазу, дипептидазу, карбоксипептидазу). Цинк принимает участие в азотном обмене растений. Как показали исследования [4.-С. 126], недостаток этого элемента приводит к значительному накоплению в растениях нитратов, а также небелковых соединений N-амидов и аминокислот. При цинковом голодании отмечается сильное возрастание содержания свободных аминокислот. В целом предполагается, что накопление растворимых азотных соединений при недостатке цинка свидетельствует о нарушениях синтеза белка [4.-С. 127]. Задержка роста сельскохозяйственных культур, как характерный признак недостатка цинка, связана с участием элемента в синтезе ростовых веществ. В ряде исследований у цинкдефицитных растений было обнаружено значительное снижение содержания ауксина [4.-С. 126].

Цинк не относится к металлам с переменной валентностью, и это затрудняет его участие в переносе электронов. Определенную роль в фотосинтезе элемент может играть благодаря его вхождению в состав фермента карбоангидразы. Ионы Zn²⁺ регулируют утилизацию фосфорных соединений в растениях. Показано [2.-С. 147-151, 4.-С. 127], что в растениях гороха и томатов при недостатке цинка возрастает содержание неорганического фосфора и снижается его включение в состав нуклеотидов, липидов и нуклеиновых кислот. После добавления цинка в питательный раствор использование поглощенного фосфора в обмене веществ растений нормализуется. Вместе с тем, избыточное содержание фосфора в питательной среде, обусловленное увеличением доз фосфорных удобрений, может вызвать недостаток цинка у многих культур.

Цинк участвует в процессах роста, развития и размножения животных и человека, белковом и углеводном обмене, в процессах костеобразования и кроветворения [4.-С. 297]. В организме животных присутствуют четыре цинксодержащих фермента: карбоангидраза, карбоксипептидаза, дегидрогеназа молочной кислоты и дегидрогеназа глютаминовой кислоты. Из 18-ти содержащихся в организме животных энзимов, активируемых цинком, отметим такие, как аргиназа, дегидропептидаза, аминопептидаза, энолоаза, щелочная фосфатаза.

Значительное количество Zn²⁺ у животных содержится в клетках поджелудочной железы и в половых клетках. По данным ряда авторов [2.-С. 147-151, 4.-С. 297], в различных органах млекопитающих, птиц и рыб содержится следующая массовая доля цинка (мг/100 г массы): почки 2,4-24,9; селезенка 1,11-19,2; печень 1,58--13,5; сердце 1,50-13,0; легкие 3,6-3,9; кровь 0,6-2,9; мышцы 1,2-7,9; кожа 1,06-6,5.

Показано [4.-С. 298], что дефицит Zn²⁺ приводит к увеличению частоты выкидышей у животных, преимущественно в период третьей и последующих беременностей. Кроме нарушений воспроизводительной функции проявляются признаки потери вкуса, нарушения функции желудочно-кишечного тракта, наблюдаются кожные заболевания и изменение шерстных покровов, снижается рост костей в длину. Содержание цинка в организме человека варьирует в пределах 1,5-2,0 г, причем наиболее богаты им скелетные мышцы и сперматозоиды, на долю которых приходится около 63% Zn²⁺.

Цинк участвует в синтезе белка, ДНК, РНК, стабилизирует структуру рибосом в животном организме. Количество Zn²⁺ в волосах человека используется как диагностический показатель скрытых форм нарушения гомеостаза в организме. В частности, дефицит элемента усиливает недостаток витамина A. Потребность человека в Zn²⁺ составляет 20 мг/сут. Выявлена прямая корреляционная связь между содержанием Zn²⁺ во внешней среде и показателями заболеваемости населения злокачественными образованиями [2.-С. 147-151, 4.-С. 298]. Поступление ионов элемента в организм человека в повышенных концентрациях усиливает изменения показателей иммунного статуса и приводит к росту злокачественных опухолей.

Участие меди в метаболических процессах определяется ее физико-химическими свойствами:

- ионы элемента способны реагировать с аминокислотами, белками и другими биополимерами, образуя стабильные комплексы в большей степени, чем другие металлы;

- ионы меди обладают каталитическими свойствами, которые усиливаются при связывании этих ионов с молекулой белка;

- ион меди легко освобождает или принимает один электрон, что обуславливает функционирование меди в качестве донора или акцептора электронов.

Благодаря способности изменять свою валентность медь, как железо и марганец, занимает центральное положение в регулировании окислительно-восстановительных реакций не только в процессах дыхания, но и в фотохимических реакциях. Физиологические функции меди определяются ее вхождением в состав медьсодержащих белков и ферментов, например, таких, как цитохромоксидаза, принимающая участие в дыхательном процессе и фотосинтезе. 70% всей меди, находящейся в листьях растений сконцентрировано в хлоропластах. Установлено, что медь предохраняет хлорофилл от преждевременного разрушения, а, следовательно, растения дольше сохраняют зеленую окраску и имеют более высокую ассимиляционную поверхность[4.-С. 129], повышающую продуктивность кормовых культур.

Медь играет важную роль в азотном обмене растений, будучи участником процесса восстановления нитратов. Показано, что она способствует повышению активности не только нитратредуктазы, обеспечивающей восстановление нитратов и усвоение молекулярного азота, но и усиливает активность в клубеньках бобовых дегидрогеназ, осуществляющих приток активированного водорода и электронов к молекулярному азоту.

Медь имеет большое значение в ауксиновом обмене растений. Наблюдается прямая зависимость между содержанием ионов элемента в семенах злаков и бобовых и энергией их прорастания [2.-С. 147 - 151, 4.-С. 130]. Известно положительное влияние на формирование генеративных органов растений, в частности, медью обогащены пыльники злаковых растений. Зерно злаков содержит много меди в эмбрионах, тогда как в эндосперме значительно меньше. Как показали исследования [4.-С. 130], недостаток элемента нарушает развитие зерновок у культурных злаков, в результате чего формируется щуплое зерно.

Конкурирующее действие на поглощение ионов меди растениями оказывает Fe. Установлено, что Cu вытесняет большинство других катионов, адсорбированных корнями растений, и прочно связывается их поглощающей поверхностью. В опытах со льном показано [2.-С. 147-151, 4.-С. 130], что с помощью Fe может быть устранено токсичное действие избытка меди. При высоких дозах меди поступление Fe в растения понижается, однако, антагонизм этих элементов возникает в почвах со щелочной реакцией среды и может не наблюдаться при кислой реакции. При выращивании люпина на дерново-подзолистой почве, имеющей кислую реакцию (рН 4,7), антагонизм Fe и Cu не только не проявился, но, напротив, наблюдался синергизм их действия [4.-С. 130].

Токсичность меди наблюдается, как правило, на кислых почвах. Выявлена аккумуляция ионов элемента в ризосфере растений, обусловленная их связыванием в органические комплексы продуктами выделения корней и ризосферных микроорганизмов [1.-С. 7-8, 4.-С. 132]. В целом это способствует усилению подвижности и доступности меди растениям. Фитотоксичность ионов меди для фотосинтетического аппарата овса возможно снизить путем внесения в посевы этой культуры высоких доз фосфорных удобрений, проявляющих свойства эффективного хелатирующего лиганда.

В микроколичествах медь относится к абсолютным органогенам, т.е. незаменимым микроэлементам, без которых жизнь животных и человека невозможна. Она входит в состав дыхательных ферментов, витаминов (А, С, Е, Р), гормонов, ферментов (тирозиназа, лактаза, оксидаза, аминоксидаза, цитохромоксидаза), а также коферментов и многих других соединений, участвующих в регуляции жизненно важных процессов. С пищей в организм человека меди должно поступать от 2 до 5 мг/сут. В организме животных и человека ионы меди всасываются в объеме 35% из водно-пищевых рационов большей частью в желудке и двенадцатиперстной кишке, слизистая оболочка которых содержит металлотионин, способный образовывать комплексные соединения с Cu. Остальная медь (65%) превращается в желудочно-кишечном тракте в нерастворимые соединения и выводится из организма. Существует физиологический антагонизм меди с Мо, Мn, Zn. Избыток Cu приводит к дефициту Zn и Мо, т.е. способствует усугублению иммунологических нарушений, вызываемых недостатком Zn [4.-С. 300].

В связи с тем, что Мn относится к металлам переходной группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, которые характеризуются переменной валентностью, это предопределяет его участие в тех или иных окислительно-восстановительных реакциях, осуществляемых ферментными системами. Наибольшее значение из многих ферментов имеют гидроксиламинредуктаза, катализирующая восстановление гидроксиламина до аммиака при азотном обмене в растениях, и ассимиляционные ферменты, осуществляющие восстановление углекислоты при фотосинтезе, расщепление воды и выделение кислорода [4.-С. 122].

В организме сельскохозяйственных животных наибольшее количество Мn находится в печени, гипофизе, в щитовидной и молочной железах. Птицы нуждаются в большем количестве элемента, чем млекопитающие. Они не способны синтезировать мочевину и не содержат в тканях фермента аргиназы. Более активный метаболизм марганца у птиц связан с его участием в процессах окислительного фосфорилирования, что подтверждается быстрой аккумуляцией Мn в митохондриях клеток печени. В курином яйце до 88% Мn концентрируется в желтке [2.-С. 147 - 151, 4.-С. 295].

В результате достаточно многочисленных исследований было установлено, что марганец благодаря своим окислительным свойствам обеспечивает поддержание в клетках растительного организма необходимые окислительно-восстановительные условия [4.-С. 121]. Функционирование определенной окислительно-восстановительной системы достигается при совместном действии Мn и Fe. В случае сниженной концентрации марганца - антагониста железа в растении, даже небольшое количество Fe²⁺ может оказать сильное токсическое действие, которое проявляется идентично недостатку Мn.

Если же марганец находится в избытке, железо иммобилизуется в виде оксида (Fе₂O₃) и растение обнаруживает симптомы токсичного действия Мn, сходные с недостатком Fе. Таким образом, для нормального роста сельскохозяйственных культур в них должно быть определенное оптимальное соотношение Fе и Мn.

Целью проведенного исследования являлось моделирование степени обеспеченности зерновых, клубнеплодных и стеблеплодных кормовых культур соединениями цинка, меди и марганца, способных в повышенных концентрациях оказывать значительный токсический эффект. Для оценки степени обеспеченности серых лесных почв и черноземов Курской области цинком, медью и марганцем был проведен пробоотбор почв сельскохозяйственного назначения в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб», ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб», ГОСТ 17.4.4.02-84 «Почвы. Методы отбора и пробоподготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа» [3.-С. 7-8].

В исследовании применен метод определения содержания подвижных форм тяжелых металлов атомно-абсорбционным спектрофотометрическим методом электротермической атомизации пробы с использованием прибора ААС ЭА «Квант-Z ЭТА», а также стандартные методики общего химического анализа почв. Обработка экспериментальных данных, расчеты выполнены с помощью программного обеспечения Excel 2000, StatSoft Statistica v 6.0 и Mathcad 2001i Professional. Полученные результаты отражены в таблицах 1 и 2 и на рисунках 1,2.

Интенсивность миграции и накопления химических элементов в трофической цепи почва-сельскохозяйственные культуры зависят от разных факторов. В их числе: формы нахождения химических элементов в почвах - многие тяжелые металлы в условиях техногенеза могут переходить в подвижные формы, легкодоступные для растений; способность различных видов растений поглощать элементы по «барьерному» или «безбарьерному» типам; тип почвы - высокогумусные глинистые почвы обладают большей способностью к нейтрализации токсичных элементов путем перевода их в малорастворимые и труднодоступные для растений формы и др. [1.-С. 11-12].

тяжелый металл корм

Таблица 1 - Содержание тяжелых металлов в трофической цепи почва - кормовые культуры на черноземах Курской области

^* - ПДК тяжелых металлов в продукции растениеводства (Институт питания РАН, 1986);

Таблица 2 - Содержание тяжелых металлов в трофической цепи почва - кормовые культуры в серых лесных почвах Курской области

^* - ПДК тяжелых металлов в продукции растениеводства (Институт питания РАН, 1986);

** - расчет произведен для подвижных форм ионов ТМ, доступных кормовым культурам.

Для оценки степени обеспеченности сельскохозяйственных культур, выращиваемых на серых лесных почвах и черноземах Курской области, тяжелыми металлами были использованы коэффициенты биологического поглощения (К_б), цинка, меди, марганца, которые представляют собой отношение содержания тяжелого металла в золе кормовой культуры к содержанию подвижных форм элементов в соответствующих типах почв. Интенсивность поглощения ионов тяжелых металлов овощными и зерновыми культурами определяется множеством различных факторов, среди которых необходимо учитывать содержание соединений элементов в пахотном горизонте почв, водный режим агроландшафта, величины pH водной и солевой вытяжек почв, а также содержание гумуса (таблицы 1, 2).

Согласно проведенным мониторинговым исследованиям содержание подвижных форм цинка, меди и марганца в черноземах и серых лесных почвах Курской области не превышает величин ПДК (таблица 1, 2). Более того, установленные концентрации тяжелых металлов позволяют классифицировать изучаемые почвы как низкообеспеченные цинком (содержание менее 3 мг/кг) и медью (содержание менее 2 мг/кг) относительно выращиваемых кормовых культур (картофель, капуста, кукуруза, озимая пшеница, овес). Также отмечается низкая степень обеспеченности растений соединениями марганца (содержание менее 15 мг/кг почвы).

Чувствительность отдельных кормовых культур к недостатку меди неодинакова. Наиболее высокую потребность в этом элементе питания испытывают овощные культуры - картофель и капуста, выращиваемая на черноземах и серых лесных почвах Курской области, наименьшую - кукуруза. Зерновые культуры (овес, озимая пшеница) поглощают из серых лесных почв и черноземов соединения меди в оптимальных количествах (рисунки 1, 2; таблицы 1, 2).

Рисунок 1 - Содержание меди в зерне кукурузы, озимой пшеницы и овса на черноземах Курской области, мг/кг

Рисунок 2 - Содержание меди в зерне кукурузы, озимой пшеницы и овса на черноземах Курской области, мг/кг

Содержание тяжелых металлов в продукции растениеводства - кормовых культурах (картофель, капуста, кукуруза, озимая пшеница, овес) не превышает величин ПДК: для соединений цинка в картофеле и капусте - 10 мг/кг (Институт питания РАН, 1986), в зерновых культурах - 50 мг/кг; для соединений меди в картофеле и капусте - 5 мг/кг, в зерновых культурах - 10 мг/кг.

Несмотря на более низкие значения коэффициента биологического поглощения (K_б)** марганца по сравнению с цинком и медью, его концентрация в картофеле и капусте достаточно высока (таблица 1). Наблюдаемое явление объясняется бульшими фоновыми содержаниями соединений данного элемента (относительно цинка и меди) в черноземах и серых лесных почвах различных районов Курской области. Известно, что величины коэффициентов биологического поглощения Mn и Cu характеризуют слабое накопление и средний захват соединений [5].

Таким образом, различные виды растений обладают разными барьерными свойствами в отношении тяжелых металлов, изучение которых приобретает важное значение для выбора сельскохозяйственных культур, выращиваемых на загрязненных почвах. В целом, по причине низкой степени обеспеченности черноземов и серых лесных почв Курской области соединениями цинка, меди и марганца целесообразно применение микроудобрений согласно установленным фоновым концентрациям элементов. В случае выращивания кормовых культур без внесения достаточных количеств микроудобрений, применение получаемых кормов должно быть нормировано внесением микроэлементов в рационы сельскохозяйственных животных.

Список использованных источников

1 Виноградова, Т. А. Трансформация тяжелых металлов при внесении азотных удобрений под лен-долгунец на загрязненной Cd и Pb почве: автореф. дис. … канд. биол. наук: 03.00.16 / Т.А. Виноградова; Российский государственный аграрный заочный университет. - Ярославль, 2008. - 20 с.

2 Гамаюнова, М.С. Содержание микроэлементов в почве и семенах и урожай сельскохозяйственных растений / М.С. Гамаюнова, Л.К. Островская // Микроэлементы в сельском хозяйстве и медицине. - Киев, Госсельхозиздат УССР, 1963. - С. 147 - 151.

3 Глебова, И.В. Закономерности сорбционного распределения тяжелых металлов в почвах Центрального Черноземья: автореф. дис. … доктора с.-х. наук: 06.01.03 / И.В. Глебова; Курская ГСХА. - Курск, 2009. - 43 с.

4 Никитишен, В.И. Плодородие и удобрение серых лесных почв ополий Центральной России / В.И. Никитишен, Е.В. Курганова. - М.: Наука, 2007. - 367 с.

5 Орлов, Д.С. Биогеохимия / Д.С. Орлов, О.С. Безуглова. - Ростов н/Д: Феникс, 2000.- 320 с.

Размещено на Allbest.ru