Микроэлементы в почвах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Наша Земля - это огромная химическая лаборатория, в которой работа длится уже миллионы лет и не прекращается ни на мгновение. Вся эволюция веществ на Земле происходит под влиянием самых разнообразных физических, химических и биологических процессов. Между внешней средой и организмами идет непрерывный обмен веществ.

Термин «микроэлементы» применяется для обозначения некоторых химических элементов, содержащихся в почвах, горных породах, минералах, водах.

Оптимизировать пищевой режим растений невозможно только с помощью основных элементов питания - азота, фосфора и калия. Кроме них растениям также нужны микроэлементы (магний, железо, медь, цинк, молибден, бор, марганец и кобальт).

Биологические функции микроэлементов многообразны. Изучению их посвящены работы ряда исследователей.

Высокая биологическая активность микроэлементов в значительной степени связана с ферментативным катализом, что определяет их участие в процессах фотосинтеза, дыхания, азотного и фосфорного обменов. Недостаток микроэлементов для растений нарушает нормальное течение физиолого - биохимических процессов и исключает получение высоких урожаев хорошего качества.

На первых этапах изучения микроэлементов преобладало мнение, что они существенны только для живых организмов. Последующие исследования показали, что даже при малом содержании многие микроэлементы могут существенно влиять на процессы почвообразования и активно в них участвовать.

Поскольку микроэлементы воздействуют на развитие растений, то все почвенные биохимические процессы накопления, трансформации, переноса органических соединений в экосистеме во многом зависят от уровня содержания и набора микроэлементов; одновременно последние стимулируют деятельность микроорганизмов. В результате интенсифицируются процессы образования гуминовых веществ в почвах из растительных остатков. На содержание и распределение микроэлементов активно влияют многие процессы формирования почвенного профиля. Они выносятся из элювиальных (оподзоленных, осолоделых) горизонтов, накапливаются в иллювиальных горизонтах (горизонтах вмывания), глеевых (восстановленных) горизонтах.

Соединения микроэлементов в породах и, особенно, в почвах отличаются удивительным разнообразием.

Целью курсовой работы является изучение микроэлементов как необходимо важного компонента почвы.

Задачи курсовой работы:

1. Узнать, что такое микроэлементы в почвах, изучить их источники и формы нахождения

2. Изучить, какие микроэлементы содержатся в почвах, и определить их роль в обменных процессах у растений

3. Рассмотреть последствия недостатка элементов в почвах

4. Рассмотреть тяжёлые металлы в почве

5. Узнать, какие существуют биогеохимические зоны и провинции РФ



1. Общие представления о микроэлементах в почвах

Микроэлементы в почвах входят в состав разных соединений, большая часть которых представлена нерастворимыми или труднорастворимыми формами и лишь небольшая -- подвижными формами, усваиваемыми растениями. Исследования А. П. Виноградова и В. В. Ковальского показали, что в среднем в почвах содержание кальция -- 1,37 %, стронция-0,03, марганца -- 0,085, цинка -- 0,005, меди -- 0,002, кобальта -- 0,008 и йода -- 0,0005%. Однако в отдельных геохимических зонах эти показатели могут быть значительно выше или относительно ниже.

1.1. История изучения микроэлементов

Работа в лаборатории знаменитого химика Ивана Александровича Каблукова в Тимирязевской академии (20-е годы) была для молодого Яна Пейве отличной школой -- та тщательность, с какой выполнялись здесь опыты, осталась у Пейве на всю жизнь. А без этого вряд ли было бы возможно исследование такого молчаливого, скрытного «пациента», как почва.

Упрямилась, молчала земля, когда Ян Пейве задал ей свои первые вопросы: почему в одном из среднерусских районов страны лен родился хилым? Чего не дает ему земля?

Опыт за опытом ставил молодой ученый, почву обогащали самыми разными удобрениями, а растение по-прежнему болело. И лишь когда в почву внесли бор, лен стал набирать силу.

Результаты опытов с бором натолкнули Пейве на изучение его «родственников» -- веществ, содержащихся в почве в столь же малых количествах, что и бор. Эти вещества носят название микроэлементов.

Постоянным спутником и помощником Я. Пейве стала книга знаменитого ученого В. И. Вернадского «Очерки геохимии».

В своей книге Вернадский впервые высказывал мысль о единстве живой и неживой природы. К этому важнейшему выводу русский ученый пришел в результате многолетних исследований, которые помогли ему установить в составе живого вещества (так он называл совокупность животных, растений и микроорганизмов) те же химические элементы, что и в земной коре. Более того, ученый доказывал, что налицо взаимный обмен, миграция элементов. Вернадский был основоположником науки биогеохимии, которая занимается изучением связей между химическим составом почв, растений и животных.

Впервые наука познакомилась с микроэлементами благодаря химику и врачу Никола Лемери, жившему в Париже в конце XVII -- в начале XVIII века. В пепле сожженных травинок Лемери обнаружил железо.

В январе 1872 года великий русский ученый К.А. Тимирязев на заседании Петербургского общества естествоиспытателей сделал доклад «О вероятном значении цинка в экономии растений».

Список микроэлементов, открытых учеными, непрерывно пополнялся цинк, бор, марганец, медь, молибден. Но роль их, точнее -- пока немногих из них, удалось выяснить лишь сравнительно неравно.

Если бы можно было заглянуть в скрытое от глаз человека подполье, где хозяйничают корни растений, -- а исследователям не раз мысленно приходилось делать это, -- то открылась бы удивительная картина.

Словно юркие маленькие челны, несутся по струйкам почвенного раствора микроэлементы. Они торопятся. Их ждут те, кому они нужны, как хлеб, -- растения.

«Микроэлементы, -- Писал впоследствии Я. В. Пейве, -- такие элементы минерального питания, которые необходимы растениям и животным в небольших дозах для их развития».

Незадолго до войны вышел в свет большой труд Д. Н. Прянишникова «Курс агрохимии» -- в нем была глава о значении бора, меди и марганца. В основу ее легли результаты, полученные Я. Пейве и другими учеными.

То, о чем писалось в «Курсе агрохимии», было лишь первыми шагами в исследовании микроэлементов, которые, кроме Пейве, вели академики П. А. Власюк, О. К. Кедров-Зихман, профессора М. В. Каталымов, М. Я. Школьник.

Один из разделов новой науки -- учение о роли микроэлементов.

Еще до войны ученые сконструировали прибор, который давал точную информацию о содержании микроэлементов в почве. Ведь для того чтобы помочь растению, надо твердо знать, с какими именно из своих «микродрузей» оно хотело бы поскорее встретиться. Сотрудники лаборатории взяли тысячи проб -- буквально из каждого района республики, и, когда была составлена карта микроэлементов Латвии, стало ясно, что нужны молибден, бор, медь, кобальт.

О пользе этих микроудобрений, пожалуй, лучше всего расскажут в колхозе имени Ленина Прейльского района. После того как на поля, засеянные кукурузой, были внесены бор, медь и молибден, урожай зеленой массы повысился на 50--75 центнеров с гектара. А когда дали бор и молибден посевам сахарной свеклы, то с каждого гектара получили по 298 центнеров, в то время как на соседнем поле, куда не были добавлены микроудобрения, больше 216 центнеров с гектара собрать не удалось.

Пейве и его сотрудники убедительно доказали, что микроэлементы -- это не роскошь, не некая гастрономическая приправа, -- они так же необходимы растениям, как основные удобрения.

Микроудобрения должны найти широкое применение -- эта мысль заставила Пейве и его молодого помощника Гунара Ринькиса взяться за создание нового прибора для определения микроэлементов в почве. Тот, который Пейве сконструировал в довоенные годы, уже сделал свое дело. Теперь нужен был прибор, которым мог бы пользоваться не только ученый, но и каждый агроном.

Шесть лет ушло на создание нового прибора. И вот он, наконец, готов. Это небольшой ящик с набором реактивов и цветовой шкалой. Возьмет агроном пробу почвы, проведет реакцию -- и через некоторое время видит, что пробирка, например, окрасилась в красный цвет. Шкала подсказывает, сколько в почве цинка. Еще ряд реакций -- и агроном точно знает, какими микроэлементами богата почва. За создание прибора Я. Пейве и Г. Ринькис получили золотую медаль ВДНХ. Лаборатория, разместившаяся на одной из улиц старой Риги, была первой в стране. Теперь у нее появилось много «сестер» в разных областях Союза.

1.2. Источники микроэлементов в почвах

В составе почв обнаружены почти все элементы Периодической системы Д.И. Менделеева, которые найдены и в растениях. Главным источником поступления микроэлементов в почвы являются материнские горные породы. Микроэлементы могут поступать в почву с метеоритной и космической пылью, вулканическими газами, с морскими брызгами, из почвенно-грунтовых вод, в результате геохимической деятельности человека и техногенного загрязнения биосферы.

В почвах наблюдаются накопление, поглощение и закрепление большого числа микроэлементов. Поглощение микроэлементов происходит различными путями: они могут входить в состав поглощенных катионов, в кристаллическую решетку первичных и вторичных минералов, могут давать собственные коллоидные минералы, адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц, входить в состав органического вещества, образовывать нерастворимые соединения (соли, оксиды).

Содержание и распределение микроэлементов в почвах зависят от направления и степени развития почвообразовательного процесса и особенностей поведения микроэлементов в ландшафте. Характер распределения микроэлементов в почвенном покрове определяется гумусностью, гранулометрическим составом, реакцией среды, окислительно-восстановительными условиями, емкостью поглощения, содержанием CO2 . В кислой среде уменьшается подвижность молибдена, но увеличивается подвижность меди, марганца, цинка и кобальта. Такие микроэлементы, как бор, фтор и йод, подвижны как в кислой, так и в щелочной среде. Некоторые микроэлементы, например бор, образуют с органическим веществом растворимые соединения, другие (йод и медь) закрепляются и становятся недоступными для растений. Растениям доступны микроэлементы, находящиеся в растворимом или поглощенном состоянии. Количество подвижных микроэлементов составляет всего 5-25% их валового содержания.

1.3. Формы нахождения микроэлементов в почвах и их участие в почвообразовании

Микроэлементы поступают в почвенные слои разными путями, в том числе: непосредственно осаждаясь из атмосферы, при выщелачивании, при разложении надземных частей растений, при использовании отходов, применении пестицидов, из речной воды и осадков (при дноуглубительных работах).

Формы нахождения и локализация микроэлементов-металлов в почвах зависят от их химических форм, унаследованных от материнской породы, либо от тех, в которых они поступают в почву. Микроэлементы-металлы, поступающие с атмосферной пылью, обычно находятся в минеральной форме -- в виде оксидов, силикатов, карбонатов, сульфатов и сульфидов. Когда же они поступают от сжигания угля, преобладают стекловидные частицы. Если микроэлементы поступают в почву при орошении сточными водами, их формы зависят от источника поступления и способа обработки стоков.

1.4. Роль микроэлементов в обменных процессах у растений

Изучение значения микроэлементов в обмене веществ растений необходимо для выявления новых возможностей управления их продуктивностью, поскольку микроэлементы могут выступать и как специфические и как неспецифические регуляторы обмена веществ.

Во многих жизненных процессах, происходящих в растениях на молекулярном уровне, микроэлементы принимают самое активное участие. Действуя через ферментную систему или непосредственно связываясь с биополимерами растений, микроэлементы могут стимулировать или ингибировать процессы роста, развития и репродуктивную функцию растений.

1.4.1. Железо

Среднее содержание железа в растениях составляет 0,02 - 0,08% (20 - 80 мг на 1 кг сухой массы).

Железо - один из важнейших микроэлементов растений. Оно способно формировать 6 координационных связей с атомами-донорами электронов, такими как азот и кислород. Поэтому оно входит в состав активных центров многих металлопротеинов в виде различных простетических групп, включающих гема и Fe-S кластеры. Наличие в растениях форм железа с различной валентностью объясняет его участие в основных окислительно-восстановительных реакциях, таких как фотосинтез и дыхание, в составе многих белков хлоропластных и митохондриальных электрон-транспортных цепей. Железо также вовлечено во многие ферментные реакции, необходимые для фиксации азота, синтеза ДНК и растительных гормонов.

Хлоропласты - основное место утилизации железа в растениях. В них сосредоточено до 80% от общего железа в листьях. В зеленых тканях арабидобсиса 70% от общего железа находится в хлоропластах, а 40% - в тилакоидах. Доказана необходимость железа для биосинтеза хлорофилла. В фотосинтезе железо участвует, ассоциируясь с металлопротеинами, в электрон-транспортной цепи тилакоида. Эта ассоциация достигается посредством двух простетических групп: гема и железо - серного кластера.

Железо входит в состав пероксидазы и каталазы, которые задействованы в трансформации пероксида водорода. В пероксидазе гемовая часть фермента играет роль активного центра, участвующего в разложении или активации пероксида водорода. Этот фермент катализирует окисление различных веществ (фенолов, ароматических кислот, нитритов) в присутствии пероксида водорода, действующего как акцептор водорода и превращающегося в воду в ходе такой химической реакции. Пероксидазы могут катализировать образование поперечных связей между фенольными компонентами клеточных стенок. Реакции с участием пероксидаз ведут к образованию множества активных форм кислорода, способных влиять на активность различных процессов или участвовать в передаче сигналов.

Железо поступает в растение в основном в восстановленной форме Fe2+ (может затем вновь окисляться до Fe3+) y растений стратегии I (двудольные и незлаковые однодольные), либо в виде Fe3+-фитосидерофорного комплекса у растений стратегии II (злаки) (Hell, Stephan, 2003). Поступление в симпласт клеток сопровождается восстановлением Fe3+ до Fe2+ . Предполагают, что подвижность железа в корне зависит от его Fe3+-редуктазной способности, подавляемой при высоких значениях pH в апопласте. При такой реакции среды концентрация железа в апопласте может увеличиваться до 2000 мкг/г, главным образом за счет аккумуляции в форме Fe3+. Инактивация в апопласте эпидермальных клеток корней вследствие окисления железа может сопровождаться ослаблением его транспорта в побег. Увеличению pH апопласта способствуют повышенные концентрации бикарбоната, характерные для обогащенных карбонатами почв, а также поглощение растениями азота в форме нитрата.

Поглощенное корнями железо транспортируется в другие органы растения по ксилеме. Попадая в сосуды ксилемы, оно окисляется до Fe3+ и далее передвигается в форме Fe-цитратного комплекса. В листьях, комплексы железа восстанавливаются Fe-хелатредуктазами, связанными с плазматическими мембранами мезофилла. Активность Fe-хелатредуктаз зависит от реакции среды (pH) апопласта, и может снижаться с увеличением значений pH. Этот процесс сопровождается снижением скорости поступления Fe2+ в симпласт и, как следствие, появлением у растений признаков хлороза.

1.4.2. Марганец

Марганец, как железо и цинк, относится к группе необходимых для растений микроэлементов. Он является активатором ферментов, вовлеченных в фотосинтез, дыхание, синтез белков и углеводов.

Марганец - кофактор Mn-супероксиддисмутазы (Mn-СОД) и Mn-каталазы. Фермент Mn-СОД локализован в основном в митохондриях. Оба фермента входят в состав антиоксидантной системы растений.

Марганец - часть Mn4-Ca-кластера комплекса фотосистемы II, выделяющего кислород. При дефиците марганца в питательной среде отмечено значительное снижение интенсивности фотосинтеза у пресноводной водоросли Ankistrodesmus. Причем, вследствие возобновления снабжения растений Mn2+ уровень фотосинтеза восстанавливался. В условиях освещения потребность водорослей этого вида в марганце намного выше, чем в темноте. Такой же эффект впоследствии описан для других видов водорослей и высших растений.

Марганец активирует многочисленные ферменты в процессах фосфоролирования. Известно более 35 ферментов, активируемых марганцем. Большинство из них катализируют реакции окисления-восстановления, декарбоксилирования, гидролиза. Марганец участвует в белковом обмене через регулирование активности ДНК - и РНК - полимераз.

1.4.3. Цинк

Форма поступления Zn в корни растений точно не установлена. Однако в целом мнения сходятся на том, что преобладает поглощение иона Zn2+ и гидратированных форм Zn. А. Д. Халворсен и В. Л. Линдсей (цитировано по Кабата-Пендиас, Х. Пендиасу, 1989) пришли к заключению, что корни кукурузы поглощают только Zn2+ и что даже очень низкие концентрации этого иона достаточны для развития растений.

Среднее содержание цинка в растениях - 0.002%.

В растениях цинк не участвует в окислительно-восстановительных реакциях, поскольку не меняет степень окисления. Он входит в состав более 30 ферментов, в т. ч. фосфатазы, карбоангидразы, алкогольдегидрогеназа, РНК-полимераза и др. Карбоангидраза катализирует разложение гидрата окиси углерода на воду и углекислый газ. Эта реакция важна для процесса фотосинтеза. Фермент карбоангидраза, катализируя высвобождение CO2, из гидрата окиси углерода, способствует его использованию в процессе фотосинтеза. Кроме того, цинк активирует такие ферменты, как альдолаза, гексокиназа, триозофосфатдегидрогеназа. В этой связи понятно значение цинка для процессов дыхания и фотосинтеза.

Цинк играет важную роль при образовании фитогормона ауксина. Это связано с тем, что цинк, повышая активность триптофансинтетазы, влияет на образование аминокислоты триптофана -- предшественника ауксина. Внесение цинка повышает содержание ауксинов и заметно сказывается на темпах роста растений.

Цинк влияет на белковый синтез. Обнаружены белки, содержащие цинк и участвующие в репликации ДНК и транскрипции. Цинк входит в состав одного из факторов регуляции транскрипции в соединении с остатками гистидина и цистеина («цинковые пальцы»).

Цинк поглощается в форме Zn2+ или Zn(OH)2 при высоких значениях pH. По причине низкой концентрации цинка в почвенном растворе поглощение происходит преимущественно через прямой корневой контакт, и оно метаболически контролируемо.

Скорость поглощения Zn сильно колеблется в зависимости от вида растений и условий среды роста. Большое значение имеет состав питающего раствора, в особенности присутствие Ca. По вопросу о том, является ли потребление Zn активным или пассивным процессом, существуют разногласия. При всей дискуссионности результаты явно свидетельствуют о том, что потребление Zn контролируется метаболизмом растений, но может участвовать и неметаболический процесс. Некоторые авторы считают Zn очень подвижным элементом, другие же полагают, что он обладает умеренной подвижностью. В действительности, при оптимальном поступлении Zn некоторые виды растений перемещают заметные количества этого элемента из старых листьев в генеративные органы, но в условиях дефицита Zn эти же виды мобилизовали только небольшие количества или вообще не мобилизовали цинк из старых листьев.

Корневые системы часто содержат гораздо больше Zn, чем надземные части, в особенности, если растение выросло на почве, богатой Zn. При оптимальном уровне содержания Zn в почве этот элемент может перемещаться из корней и накапливаться в верхних частях растений. По опубликованным данным Zn концентрируется в хлоропластах. У некоторых видов это особенно заметно, например у шпината. Цинк, вероятно, накапливается также в жидкости, заполняющей вакуоли, и в клеточных мембранах.

Внесение цинка в почву снижает концентрации Fe, Mn и Cu в растениях и повышает содержание цинка. Обогащение зерна Zn, Fe и Mn (в сбалансированном соотношении) благоприятно для здоровья человека. Однако, как сообщает Ареф, при стрессе от дефицита цинка растения абсорбируют большие количества Fe и Mn, усугубляя неблагоприятный эффект дефицита.

Изменения содержания Zn в среде роста обычно отражаются на составе растений, поэтому растения -- хороший индикатор для биогеохимических исследований. Некоторые генотипы, растущие на богатых цинком почвах или в областях с большим его поступлением из атмосферы, могут накапливать экстремально высокие количества этого элемента без видимых симптомов токсикоза. Выносливые виды могут ослаблять действие избыточных концентраций Zn либо путем метаболической адаптации и комплексообразования, либо путем ограничения присутствия элемента в клетках, либо переводя его в нерастворимую форму в запасающих тканях.

Цинк не считается сильно фитотоксичным. Предел токсичности Zn зависит как от видовой принадлежности и генотипа растения, так и от стадии развития. Например, есть данные, что 300 мг Zn на 1 кг почвы ядовиты для молодого ячменя, в то время как для овса в начале стадии кущения токсичны примерно 400 мг/кг. В тканях корней, где Zn иммобилизован в стенках клеток или связан в комплексы с неспособными к диффузии протеинами, его критические концентрации гораздо выше.

1.4.4. Молибден

Наибольшее содержание молибдена характерно для бобовых (0,5 - 20 мг на 1 кг сухой массы), злаки содержат от 0,2 до 2,0 мг молибдена на 1 кг сухой массы. Он поступает в растения как анион MoO42-, концентрируется в молодых, растущих органах. Его больше в листьях, чем в корнях и стеблях, а в листе сосредоточен в основном в хлоропластах.

Молибден принимает участие в восстановлении нитратов, входя в состав нитратредуктазы, а также является компонентом активного центра нитрогеназы бактероидов, фиксирующих атмосферный азот в клубеньках бобовых.

Способствует увеличению содержания хлорофилла, углеводов, каротина, аскорбиновой кислоты и белковых веществ. Молибден входит в состав более 20 ферментов, выполняя при этом не только каталитическую, но и структурную функцию.

1.4.5. Медь

Медь активизирует образование белков и витаминов группы В. Как и цинк, активирует фермент, предотвращает преждевременное старение клеток растения. Принимает участие в метаболизме белков и углеводов в растении. Существенно повышает иммунитет растения грибковым и бактериальным заболеваниям. Этого элемента очень мало в песчаных и торфянистых почвах.

1.4.6. Бор

Бор - один из наиболее важных для растений микроэлементов. Его среднее содержание составляет 0,0001%, или 0,1 мг на 1 кг сухой массы. В боре наиболее нуждаются двудольные растения. Обнаружено значительное содержание бора в цветках, особенно в рыльце и столбиках. В клетке большая часть этого микроэлемента сконцентрирована в клеточных стенках. Бор усиливает рост пыльцевых трубок, прорастание пыльцы, увеличивает количество цветков и плодов. Без него нарушается созревание семян. Бор снижает активность некоторых дыхательных ферментов, оказывает влияние на углеводный, белковый и нуклеиновый обмен.

Поглощение бора сильно зависит от pH, а его распределение по растению происходит преимущественно с транспирационным током. Необходимость бора для растений установлена очень давно, но до сих пор неясно, каким образом реализуются его функции: в какие конкретно реакции он включен и каков механизм его участия в отдельных процессах.

Роль бора выяснена далеко не достаточно. Это связано с тем, что бор, в отличие от большинства других микроэлементов, не входит в состав ни одного фермента и не является активатором ферментов. Большое значение для осуществления функции бора имеет его способность давать комплексные соединения. Комплексы с борной кислотой образуют простые сахара, полисахариды, спирты, фенольные соединения и др. В этой связи можно предположить, что бор влияет на скорость ферментативных реакций через субстраты, на которые действуют ферменты.

1.4.7. Магний

У высших растений среднее содержание магния составляет 0,02 %. Особенно много магния в растениях - кукурузе, просе, сорго, конопле, а также в картофеле, свекле, табаке и бобовых. Много его накапливается в молодых клетках и растущих тканях, а также в генеративных органах и запасающих тканях. В зерновках магний накапливается в зародыше, где его уровень в несколько раз превышает содержание в эндосперме и кожуре. Накоплению магния в молодых тканях способствует его сравнительно высокая подвижность в растениях, что обусловливает его вторичное использование (реутилизацию) из стареющих тканей. Перемещение магния осуществляется как по ксилеме, так и по флоэме.

В хлоропласте сосредоточено 15% Mg2+ листа, до 6% его может находиться в составе хлорофилла. При дефиците магния (голодании) доля Mg2+ в пигменте может достигать даже 50% от общего содержания в листе. Эта функция магния уникальна: ни один другой элемент не может заменить его в хлорофилле. Магний необходим для синтеза протопорфирина 9 - непосредственного предшественника хлорофилла.

Магний поддерживает структуру рибосом, связывая РНК и белок. Большая и малая субъединицы рибосом ассоциируют вместе лишь в присутствии магния. Отсюда синтез белка не идет при недостатке магния, а тем более в его отсутствии. Магний является активатором многих ферментов. Важной особенностью магния является то, что он связывает фермент с субстратом по типу хелатной связи.

Магний входит в состав фитина (органофосфата), запасного органического вещества. Отвечает за транспорт энергии, активирует фермент, который является катализатором участия СО2 в процессе фотосинтеза. Магний необходим для многих ферментов цикла Кребса и гликолиза. Он требуется и для работы ферментов молочнокислого и спиртового брожения.

Магний усиливает синтез эфирных масел, каучука, витаминов А и С.

При повышении степени обеспеченности магнием в растениях возрастает содержание органических и неорганических форм фосфорных соединений. Этот эффект, вероятно, связан с ролью магния в активации ферментов, участвующих в метаболизме фосфора.

Процесс поступления магния в растения может зависеть от степени обеспеченности растений другими катионами. Так, при высоком содержании калия или аммония в почве или питательном растворе уровень магния, особенно в вегетативных частях растений, снижается. В плодах же количество магния при этом не меняется или может даже возрастать. Наоборот, при низком уровне калия или аммония в питательной среде содержание магния в растении повышается. Кальций и марганец также действуют как конкуренты в процессе поглощения магния растениями.

1.4.8. Недостаток и его последствия

Недостаток железа. Дефицит железа вызывает изменения морфологии корней, индуцируя рост корневых волосков, которые обильно покрывают поверхность корня. Это способствует лучшему контакту с почвой и почвенным раствором, увеличивая поглощение железа.

Недостаток марганца: Симптом заболевания, вызванного недостатком марганца, служит, прежде всего, появление хлоротичных пятен между жилками листа. У злаков появляются удлиненные полоски хлоротичной ткани серого цвета, затем появляется узкая зона ослабленного тургора, в результате чего пластинка листа свешивается вниз. При резкой недостаточности марганца эти симптомы распространяются и на стебель. Заболевшие листья при развитии заболевания буреют и отмирают.

Болезнь серая пятнистость широко распространена на богатых гумусом почвах, имеющих щелочную реакцию. Этому заболеванию подвержены злаки, особенно овес, пшеница, рожь, кукуруза.

У растений с сетчатым жилкованием листьев, при недостатке марганца, появляются разбросанные по листу хлоротичные пятна, в большей степени на нижних листьях, чем на верхних.

У свеклы недостаточность марганца вызывает заболевание, известное под названием пятнистой желтухи. На листьях появляются желтые хлоротичные участки, затем края листьев закручиваются вверх.

У гороха при недостатке марганца развивается пятнистость семян. Это заболевание выражается в появлении на семенах гороха коричневых и черных пятен или даже полостей на внутренних поверхностях семядолей.

Недостаток цинка. Болезнь недостаточности цинка широко распространена среди плодовых деревьев. При недостаточности цинка, вместо нормально удлиненных побегов с хорошо развитыми листьями, больные растения образуют весной розетку мелких скученных жестких листочков. У разных плодовых болезнь обозначается по-разному: мелколистность, розеточная болезнь, пятнистый хлороз, желтуха. Цинк участвует в окислительно-восстановительных процессах, он связан с превращением соединений, содержащих сульфгидрильную группу. Недостаток цинка вызывает подавление процессов углеводного обмена, так как недостаток цинка сильнее всего сказывается на растениях, богатых углеводами. Также при дефиците цинка у растений нарушается фосфорный обмен: фосфор накапливается в корневой системе, задерживается его транспорт в надземные органы, замедляется превращение фосфора в органические формы - в несколько раз возрастает содержание неорганических фосфатов, снижается содержание фосфора в составе нуклеотидов, липидов и нуклеиновых кислот. Кроме того, в 2-3 раза подавляется скорость деления клеток, что приводит к морфологическим изменениям листьев, нарушению растяжения клеток и дифференциации тканей.

Недостаток молибдена. При недостатке молибдена в тканях накапливается большое количество нитратов, не развиваются клубеньки на корнях бобовых, тормозится рост растений, наблюдается деформация листовых пластинок. Молибден, как и железо, необходим для биосинтеза легоглобина (леггемоглобина) - белка-переносчика кислорода в клубеньках бобовых. При дефиците клубеньки приобретают желтый или серый цвет, нормальная же их окраска - красная.

При недостатке молибдена резко падает содержание аскорбиновой кислоты, наблюдаются нарушения в фосфорном обмене растений.

У растений, испытывающих дефицит молибдена, на листьях появляются светлые пятна, возможно отмирание почек, плоды и клубни растрескиваются.

Недостаток меди. Недостаток меди проявляется в устойчивом увядании верхних листьев, даже при хорошем обеспечении влагой, вплоть до их опадания. Наблюдается отмирание краев молодых листьев с последующим их хлорозом и скручиванием; замедляется высвобождение пыльцовых зерен, вследствие чего снижается опыление растений. Наблюдается существенное снижение урожайности культуры (если отсутствуют визуальные признаки дефицита микроэлемента); у злаковых культур может наблюдаться полегание; у плодовых культур может наблюдаться поникание ветвей и кроны.

Недостаток бора. Недостаток бора вызывает ряд заболеваний: гниль сердечка сахарной свеклы, внутренняя черная пятнистость столовой свеклы и брюквы, болезнь побурения головок цветной капусты, отмирание колосков у пшеницы и даже всего зачаточного колоса у ячменя, пожелтение люцерны и др. Установлено, что под влиянием бора изменяется ряд физиологических процессов: увеличивается оводненность плазмы, усиливается поглощение катионов и особенно кальция и ослабляется поглощение анионов.

Также при недостатке бора нарушаются синтез, превращение и транспорт углеводов, формирование репродуктивных органов, оплодотворение и плодоношение. Бор необходим растениям в течение всего периода их развития. Он не может реутилизироваться и поэтому при борном голодании, прежде всего, отмирают конусы нарастания - наиболее типичный симптом борной недостаточности. Анатомические исследования указывают на прекращение деления клеток в меристеме. Одновременно обнаруживаются значительные нарушения нормального расположения элементов флоэмы и ксилемы, вплоть до полной потери этими тканями проводимости. В этом состоят причины обнаруживаемых при борном голодании нарушений передвижения пластических веществ и, прежде всего, сахаров из листьев в осевые и запасные органы растений.

Недостаток магния. Недостаток магния приводит к уменьшению содержания фосфора в растениях, даже если фосфаты в достаточных количествах имеются в питательном субстрате, тем более что транспортируется фосфор по растению в основном в органической форме. Поэтому дефицит магния будет тормозить образование фосфорорганических соединений и соответственно распределение фосфора в растительном организме.

При недостатке магния нарушается формирование пластид: матрикс хлоропластов просветляется, граны слипаются. Между зелеными жилками появляются пятна и полосы светло-зеленого, а затем желтого цвета. Края листовых пластинок приобретают желтый, оранжевый, красный или темно-красный цвет, и такая "мраморная" окраска листьев наряду с хлорозом служит характерным признаком нехватки магния. На более поздних стадиях магниевого голодания светло-желтые и беловатые полоски отмечаются и на молодых листьях, свидетельствуя о разрушении в них хлоропластов, а затем и каротиноидов, причем зоны листа, прилежащие к сосудам, дольше остаются зелеными. Впоследствии развиваются хлороз и некроз, затрагивая в первую очередь верхушки листьев.

Признаки магниевой недостаточности вначале проявляются на старых листьях, а затем распространяются на молодые листья и органы растения. Высокая и продолжительная освещенность усиливает признаки нехватки магния.

1.4.9. Понятие тяжёлых металлов в почве

Тяжелые металлы - это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40. Появление в литературе термина «тяжелые металлы» было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов. Однако в группу «тяжелых» вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны.

Различия в терминологии в основном связаны с концентрацией металлов в природной среде. С одной стороны, концентрация металла может быть избыточной и даже токсичной, тогда этот металл называют «тяжелым», с другой стороны, при нормальной концентрации или дефиците его относят к микроэлементам. Таким образом, термины микроэлементы и тяжелые металлы - категории скорее всего качественные, а не количественные, и привязаны к крайним вариантам экологической обстановки.

В течение длительного времени в биогеохимических исследованиях микроэлементов превалировал интерес к геохимическим аномалиям и возникающим из-за них эндемиям природного происхождения. Однако в последующие годы, в связи с бурным развитием промышленности и глобальным техногенным загрязнением окружающей среды, наибольшее внимание стали привлекать аномалии элементов, в большей степени тяжёлым металлам, имеющих индустриальное происхождение. Уже сейчас во многих регионах мира окружающая среда становится все более химически «агрессивной». В последние десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель, особенно, если на них выращиваются, а затем используются в пищу сельскохозяйственные растения.

В проведенных нами исследованиях металлы изучались с позиций их токсического воздействия на живые организмы, вызванного антропогенным загрязнением окружающей среды, поэтому для изученных элементов мы использовали термин «тяжелые металлы».

Содержание тяжёлых металлов в почвах зависит, как установлено многими исследователями, от состава исходных горных пород, значительное разнообразие которых связано со сложной геологической историей развития территорий. Химический состав почвообразующих пород, представленный продуктами выветривания горных пород, предопределен химическим составом исходных горных пород и зависит от условий гипергенного преобразования.

В последние десятилетия в процессы миграции тяжёлых металлов в природной среде интенсивно включилась антропогенная деятельность человечества. Количества химических элементов, поступающие в окружающую среду в результате техногенеза, в ряде случаев значительно превосходят уровень их естественного поступления.

Основными источниками антропогенного поступления тяжёлых металлов в окружающую среду являются тепловые электростанции, металлургические предприятия, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей, сжигание нефти и различных отходов, производство стекла, удобрений, цемента и пр. Наиболее мощные ореолы тяжёлых металлов возникают вокруг предприятий черной и особенно цветной металлургии в результате атмосферных выбросов. Действие загрязняющих веществ распространяется на десятки километров от источника поступления элементов в атмосферу. Так, металлы в количестве от 10 до 30 % от общего выброса в атмосферу распространяются на расстояние 10 км и более от промышленного предприятия. При этом наблюдается комбинированное загрязнение растений, слагающееся из непосредственного оседания аэрозолей и пыли на поверхность листьев и корневого усвоения тяжёлых металлов, накопившихся в почве в течение продолжительного времени поступления загрязнений из атмосферы.

По приведенным ниже данным можно судить о размерах антропогенной деятельности человечества: вклад техногенного свинца составляет 94-97% (остальное - природные источники), кадмия - 84-89%, меди - 56-87%, никеля - 66-75%, ртути - 58% и т.д. При этом 26-44% мирового антропогенного потока этих элементов приходится на Европу, а на долю европейской территории бывшего СССР - 28-42% от всех выбросов в Европе. Уровень техногенного выпадения тяжёлых металлов из атмосферы в разных регионах мира неодинаков и зависит от наличия разрабатываемых месторождений, степени развитости горно-обогатительной и промышленной индустрии, транспорта, урбанизированности территорий и др.

Содержание химических элементов в почве можно оценивать в кларках. Под кларком понимают среднее содержание химического элемента в эталонной (незагрязненной) почве (литосфере). Так, один кларк кальция равен 3,25% по массе, или 32,5 г/кг почвы. Содержание элемента в почве на уровне 3--4 кларков и более свидетельствует о ее загрязнении.

молибден цинк почва зона



2. Биологическая роль микроэлементов в почве

Микроэлементы играют важную биохимическую и физиологическую роль в жизни растений, а также животных и человека. Без их достаточного количества не могут протекать основные физиолого-биохимические реакции живого организма. Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы объясняется тем, что они входят в состав так называемых акцессорных веществ: дыхательных пигментов, витаминов, гормонов, ферментов, а также коферментов, участвующих в регуляции жизненных процессов. Микроэлементы влияют на направленность действия ферментов и их активность, а также участвуют в таких важнейших биохимических процессах, как дыхание (медь, цинк, марганец, кобальт), фотосинтез (марганец, медь), синтез белков (марганец, кобальт, медь, никель, хром), кроветворение (кобальт, медь, марганец, никель, цинк), белковый, углеводный и жировой обмен веществ (молибден, ванадий, кобальт, вольфрам, марганец, цинк), синтез гумуса (медь).

2.1. Биогеохимические зоны и провинции РФ

Геохимические провинции микроэлементов - это территории, на которых в поверхностных участках земной коры содержатся различные их количества (пониженные или повышенные).

Как показал В.И. Вернадский, содержание, миграция и аккумуляция химических элементов обусловлены всем комплексом природных факторов. Позже, разрабатывая идеи биогеохимического районирования, В.В. Ковальский рассматривал в единстве как геохимическую среду (породы, природные воды, почвы), так и физиологические и биохимические особенности организмов. При таком анализе выявляются связи между недостатком или избытком микроэлементов, их количественными соотношениями и состоянием живых организмов вплоть до появления эндемических (местных) заболеваний, а результаты исследований служат основанием для биогеохимического районирования. В основу такого районирования В.В. Ковальский положил биогеохимические зоны и биогеохимические провинции. Всего он выделил четыре зоны на территории бывшего СССР, которые характеризуются единством зональности почвообразования, климата, миграции элементов и типом биологических реакций организмов на геохимические факторы среды.

Таежно-лесная нечерноземная зона: Реакции организмов в целом обусловлены недостатком кальция, фосфора, кобальта (73% всех почв), меди (70%), йода (80%), молибдена (53%), бора (50%), цинка (49%), оптимумом содержания марганца (72%), относительным избытком, особенно в поймах рек, стронция (15%).

Лесостепная и степная черноземная зона: В этой зоне характерно оптимальное содержание в почве кальция и кобальта (96% для серых лесных и 77% для черноземных почв), меди (72--75%), марганца (71--75%), иод, цинк и молибден сбалансированы с другими элементами. Иногда только наблюдается недостаток подвижного марганца.

Сухостепная, пустынная, полупустынная зона: На живые организмы влияют повышенные уровни содержания сульфатов, бора (88%), цинка (76%), часто стронция (47%), молибдена (40%), низкое содержание меди (40%), иногда кобальта (52%).

Горные зоны: В горных почвах соотношение и концентрации микроэлементов изменяются в широких пределах, поэтому возможны различные реакции организмов, но часто проявляется недостаток йода, кобальта, меди, цинка, хотя возможны и варианты избытка меди, цинка, кобальта, молибдена, стронция и других элементов. В пределах зон выделены провинции, которые показаны на карте условными значками, сущность которых определена в легенде. Значение тех или иных провинций можно раскрыть на нескольких примерах. Так, в провинциях с недостатком кобальта ослабляется синтез витамина В12. Последнее характерно для нечерноземной зоны, где нередко развивается гипо-или авитаминоз В12. При избытке молибдена и нарушении его соотношения с медью усиливается синтез фермента ксантиноксидазы, у животных развивается молибденовый токсикоз, а у человека -- эндемическая молибденовая подагра.



Вывод

Микроэлементы в почвах - химические элементы, содержащиеся в породе, почве, растениях и живых организмах в незначительных количествах (в пределах 10 -2--10 -7весовых %). К ним относятся бор, марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, йод, фтор, барий, мышьяк, никель, селен, хром и др.

Главным источником поступления микроэлементов в почвы являются материнские горные породы. Они могут поступать в почву с метеоритной и космической пылью, вулканическими газами, с морскими брызгами, из почвенно-грунтовых вод, в результате геохимической деятельности человека и техногенного загрязнения биосферы.

В почвах и породах присутствуют микроэлементы в различных соединениях: переходящие в водные вытяжки, вытесняемые из твёрдых фаз почвы солевыми растворами (обменные катионы), извлекаемые ацетатно - аммонийным буферным раствором (эти соединения считаются доступными растениям), кислоторастворимые соединения, и, наконец, микроэлементы, входящие в состав различных почвенных минералов.

Роль микроэлементов в физиологических и биохимических процессах неизмеримо велика. Почва является источником микроэлементов для растений, животных и людей. Они входят в состав витаминов, ферментов, гормонов. Недостаток или избыточное количество микроэлементов в кормах и продуктах питания приводят к нарушению обмена веществ и возникновению заболеваний у растений, животных и людей. В количественном отношении микроэлементы составляют ничтожную долю в составе почв, но они важны в качестве микрокомпонентов питания растений.

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Фитотоксичное действие тяжёлых металлов проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и во многом зависит от свойств и особенностей поведения конкретного металла. Однако в природе ионы металлов редко встречаются изолированно друг от друга. Поэтому разнообразные комбинативные сочетания и концентрации разных металлов в среде приводят к изменениям свойств отдельных элементов в результате их синергического или антагонистического воздействия на живые организмы.



Список литературы

1. А. Б. Рубин, Т. Е. Кренделева, Регуляция первичных процессов фотосинтеза // Успехи биологической химии, т. 43, 2003, с. 225 - 266

2. В.П. Ковриго, И.С. Кауричев, Л.М. Бурлакова «Почвоведение с основами геологии», 2000, с. 110

3. Б. А. Ягодин (ред.), «Практикум по агрохимии» // «Агропромиздат», Москва, 1987, 304 с.

Размещено на Allbest.ur