Экологическая роль тяжелых металлов в формировании

СОСТАВ, МЕХАНИЗМЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОСПРОИЗВОДСТВА И ПУТИ СОЗДАНИЯ АДАПТИВНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ И ЛАНДШАФТОВ
зации использования кормовых площадей и раз
вития степного охотничьего хозяйства. По нашим
оценкам, без ущерба для продовольственной бе
зопасности России ресурсы титульных биологи
ческих объектов степей могут быть увеличены ми
нимум в 4–5 раз.
вых инфекций. Сурки и степные копытные могут
рассматриваться как источники дополнительно
го дохода от охотничьего хозяйства, являться ис
точником деликатесной мясной продукции, полу
чение которой возможно только в степной зоне.
Титульные степные растения, а также некоторые
животные (например, сурки) известны в качестве
источников лекарственного сырья.
Считаем необходимым добавить, что если рас
сматривать степь как полноценную экосистему,
то невозможно не причислить к ее зональным
эфидикаторам и те почвы, на которых она разви
лась, а именно: целинные полнопрофильные чер
ноземные и каштановые почвы [6]. Принимая во
внимание медлительность естественного восста
новления почв, желательно сохранять в целинном
виде возможно большее количество целинных
степных почвенных эталонов, а там, где такая воз
можность утрачена, – создать условия их эколо
гической реставрации.
Приоритет природоохранной деятельности в
степной зоне должен быть отдан титульным био
логическим объектам. Восстановление ресурсов
титульных биологических объектов степей, прини
мая во внимание их значение в придании экологи
ческой состоятельности агроценозам и экономи
ческой состоятельности сельским территориям,
логично осуществлять в рамках национального
проекта развития АПК.
Возможности экологической реставрации ре
сурсов титульных степных биообъектов прямо
зависят от интенсификации земледелия, оптими
1. Устойчивое развитие сельского хозяйства и сельских тер
риторий: зарубежный опыт и проблемы России. М.: Тво
научных изданий КМК, 2005. 617 с.
2 . Природопользование и устойчивое развитие. Мировые эко
системы и проблемы России. М.: Тво научных изданий
КМК, 2006. 448 с.
3 . Алехин, В.В. Теоретические проблемы фитоценологии и
степеведения / В.В. Алехин. М.: Издво МГУ, 1986. 211 с.
4 . Высоцкий, Г.Н. Степи европейской России / Г.Н. Высоцкий
// Энциклопедия русского сельского хозяйства. СПб., 1905.
С. 397–443.
5 . Чибилев, А.А. Экологическая оптимизация степных ланд
шафтов / А.А. Чибилев. Екатеринбург: Наука, 1992. 172 с.
6 . Докучаев, В.В. Наши степи прежде и теперь / В.В. Докуча
ев. М.Л.: Сельхозгиз, 1936. 118 с.
7 . Келлер, Б.А. Растительный мир русских степей, полупус
тынь / Б.А. Келлер // Очерки экологические и фитосоци
ологические. Вып. 1. Н., 1923. 118 с.
8 . Пачоский, И.К. Растительность Херсонской губернии. Т.2.
Степи / И.К. Пачоский. Херсон, 1917.
9 . Кириков, С.В. Человек и природа степной зоны / С.В. Ки
риков. М.: Наука, 1983. 125 с.
10. Лепехин, И. Дневные записки путешествуя по разным про
винциям Российского государства в 1768–1769 гг. / И. Ле
пехин. СПб., 1771. Ч. 1.
11. Судьба степей / В.Г. Мордкович [и др.]. Новосибирск: Ман
газея, 1997. 208 с.
12. Танфильев, Г.И. Ботаникогеографические исследования в
степной полосе / Г.И. Танфильев // Труды Особ.экспед.
Лесн. Департ. СПб., 1898.
13. Эверсман, Э. Естественная история Оренбургского края.
Ч. 2. / Э. Эверсман. Казань: Тип. Казан. унта, 1850. 294 с.
14. Р ы чко в, П .И . Т о п о гр аф и я О р ен бур гс ко й губ ер н и и /
П.И. Рычков. Оренбург: Тип. Б. Бреслина, 1887. 404 с.
Экологическая роль тяжелых металлов
в формировании биоресурсного потенциала
степных экосистем
И.В. Грошев, гл. специалист, к.биол.н., О.В. Григо
рьева, гл. специалист, Т.Н. Шахматова, специалист
II категории, Комитет по охране окружающей среды и
природных ресурсов Оренбургской области
высокие же – оказывают на растения различные
токсические действия [2, 3].
К числу тяжелых металлов относят более 40
химических элементов периодической системы
Д.И. Менделеева с атомными массами свыше 50
а.е.м.: хром (Cr), марганец (Mn), железо (Fe), ко
бальт (Co), никель (Ni), медь (Cu), цинк (Zn), гал
лий (Ga), германий (Ge), молибден (Mo), кадмий
(Cd), олово (Sn), сурьму (Sb), теллур (Te), вольф
рам (W), ртуть (Hg), таллий (Tl), свинец (Pb), вис
мут (Bi) [4]. В данной статье дается характеристи
ка основным, наиболее изученным элементам –
цинку, меди, кадмию, свинцу, никелю, хрому, мар
ганцу и кобальту.
Цинк (Zn) выполняет в живых организмах мно
гие биохимические функции. Наиболее важная из
них – участие в составе разнообразных фермен
Роль химических элементов в формировании
биоресурсного потенциала степи – это важный и
далеко не изученный в экологии вопрос. Особое
значение в настоящее время приобрели исследо
вания экологической роли в функционировании
биосферы химических элементов, входящих в
группу тяжелых металлов. Низкие концентрации
этих элементов (порядка n·102 – n·105%) пред
ставляют крайнюю необходимость для жизнедея
тельности растительных и животных организмов,
активно участвуя в биологических процессах в
составе биокатализаторов и биорегуляторов [1],
29
БИОРЕСУРСЫ СУШИ
Диапазон колебаний валового содержания
меди в почвах Оренбургской области составляет
12,30–49,70 мг/кг (при среднем значении 20,91
мг/кг), что следует отнести к значительным запа
сам. В ряде территорий установлено повышенное
и аномально высокое содержание меди в почвах,
почвообразующих породах, водах. Эти аномалии
природнотехногенного характера связаны с ру
допроявлением и последующими разработкой и
добычей месторождений.
Кадмий (Cd) способен сравнительно легко по
ступать в растения из почвы через корневую сис
тему, а также из атмосферы через листья. Основ
ным фактором действия токсичных концентраций
кадмия на растения считается нарушение актив
ности ферментов. Кроме того, кадмий тормозит
фотосинтез, нарушает транспирацию и фиксацию
СО2, ингибирует биологическое восстановление
NO2 до NO. Фитотоксичность кадмия проявляет
ся также в затруднении поступления и метаболиз
ма в растениях ряда питательных элементов (Zn,
Cu, Mn, Ni, Se, Ca, Mg, P). Внешние симптомы
токсикоза у растений – задержка роста, повреж
дение корневой системы, хлороз листьев.
Содержание валовых форм кадмия в почвах
Оренбургской области варьирует в пределах 0,19–
2,05 мг/кг (при среднем значении – 0,49 мг/кг). Ве
личины содержания кадмия в степных ценозах об
ласти невелики и составляют 0,01–0,09 мг/кг сух.
вва. Опасность избыточного поступления кадмия
в почвы, растения и организмы животных и чело
века существует в районах, подверженных интен
сивному техногенному загрязнению. Кадмий и
при низких концентрациях обладает токсичным
действием для живых организмов, активизируя
развитие злокачественных новообразований [7].
Свинец (Pb) в небольших количествах крайне
необходим растениям. Дефицит свинца в расте
ниях наблюдается при его содержании в надзем
ной массе менее 2–6 мг/кг сух. вва, а концентра
ция свыше 10 мг/кг сух. вва является токсичной
для большинства культурных растений [8].
Среднее содержание валовых форм свинца в
почвах составляет 13,06 мг/кг, при колебаниях от
5,62 до 23,00 мг/кг. Симптомы токсичности в по
чвах возникают при содержании свинца 30 мг/кг,
а у растений – при его валовом содержании в по
чве от 100 до 500 мг/кг. Интервал содержания
свинца в растениях области достаточно широк и
составляет 0,13–1,30 мг/кг, весь он находится в
нижнем пороговом уровне.
Токсичное действие свинца на растения про
является в ингибировании дыхания и подавления
процесса фотосинтеза, что иногда приводит к
увеличению содержания Cd и снижению поступ
ления Zn, Ca, P и S. Вследствие этого не только
снижается урожайность растений, но и резко
ухудшается качество производимой продукции.
Внешние симптомы негативного воздействия
тов в метаболизме углеводов, белков и фосфатов.
Общебиологическое значение цинка выражено его
участием в процессе размножения. У высших ра
стений цинк накапливается, прежде всего, в се
менах, концентрируясь в зародыше. Недостаток
этого элемента приводит к «торможению» процес
са формирования генеративных органов и обра
зования семян. Растения ощущают недостаток
цинка при концентрации в молодых растениях ме
нее 10–20 мг/кг сухого вещества [5], особенно
страдают зерновые и бобовые культуры, травы,
фруктовые деревья. Содержание цинка в травя
нистых экосистемах Оренбургской области ко
леблется в пределах 10,2–35,8 мг/кг сухого веще
ства. Большинство видов растений обладают вы
сокой толерантностью (терпимостью) к избытку
цинка. Симптомом цинкового токсикоза являет
ся хлороз молодых листьев.
Среднее содержание валовых форм цинка в по
чвах Оренбургской области составляет 40,57 мг/кг,
при колебаниях от 18,82 до 70,00 мг/кг. Данные
аналитических исследований свидетельствуют о
достаточно высоких запасах валового цинка в
степных почвах Оренбуржья. Эти значения не вы
ходят за пределы пороговых концентраций, а ук
ладываются в норму, равную 30–70 мг/кг [5]. Ко
личество подвижного цинка составляет всего
0,16–0,58% от валовых запасов элемента. Причи
нами слабой подвижности цинка является избы
ток кальция в степных почвах, нейтральная и ще
лочная реакция среды. В таких условиях образу
ются нерастворимые цинкаты кальция, фосфаты
и силикаты цинка. Среднее содержание подвиж
ных форм цинка в гумусных горизонтах почв
составляет 1,46 мг/кг, при колебаниях от 0,24 до
11,61 мг/кг.
Медь (Cu) участвует в процессах фотосинтеза,
синтеза гемоглобина, дыхания, перераспределе
ния углеводов, восстановления и фиксации азо
та. Столь разностороннее участие объясняется
способностью Cu, также как и Fe, Mn, Co, Mo,
менять валентность. Медь, наряду с цинком, от
вечает за процессы репродукции.
Нижними пороговыми концентрациями, при
которых возможны нарушения нормальной жиз
недеятельности растений, являются величины
меньше 6–15 мг/кг сух. вва [6]. Содержание меди
в естественной степной растительности области
колеблется в пределах 3,0–14,3 мг/кг сух. вва и
находится в нижнем пороговом диапазоне. При
знаки дефицита меди – замедление и последую
щее прекращение формирования репродуктивных
органов, появление щуплого зерна либо пустозер
нистых колосьев, снижение устойчивости расте
ний к неблагоприятным факторам внешней сре
ды – обычно проявляются на почвах с высоким
содержанием карбонатов и органического веще
ства, со щелочной реакцией среды, что снижает
подвижность этого микроэлемента.
30
СОСТАВ, МЕХАНИЗМЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОСПРОИЗВОДСТВА И ПУТИ СОЗДАНИЯ АДАПТИВНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ И ЛАНДШАФТОВ
Среднее содержание валовых форм кобальта
в почвах области составляет 5,74 мг/кг, при ко
лебаниях от 1,10 до 9,50 мг/кг, что значительно
ниже значений санитарногигиенических пока
зателей, и находится на уровне значений Клар
ка. Содержание кобальта в растениях естествен
ных ценозов области составляет 0,11–0,24 мг/кг
сух. вва.
Важнейшими биохимическими функциями
марганца (Mn) являются: участие в окислитель
новосстановительных процессах, азотном обме
не, биосинтезе белка, образовании хлорофилла,
синтезе нуклеиновых кислот и передаче наслед
ственной информации. Марганец способствует
избирательному поглощению ионов из питатель
ных растворов. Этот элемент, как и другие ме
таллы переходной группы периодической систе
мы (Fe, Zn, Cu), активизирует ферменты или вхо
дит в состав ферментов системы переноса элект
ронов.
Содержание валовых форм марганца колеблет
ся в широких пределах – от 66,6 до 944,0 мг/кг
(при среднем значении 421,93 мг/кг), что ниже
значений ПДК и находится на уровне и ниже
Кларка. Содержание марганца в растениях обла
сти составляет 27,50–75,00 мг/кг сух. вва. В рас
тениях симптомы марганцевой недостаточности
наступают при концентрации 20–30 мг/кг сух. в
ва. Они проявляются в первую очередь у молодых
листьев в виде межжилкового хлороза. При дефи
ците марганца отмечаются ослабление роста и
потеря клетками тургора.
В заключение необходимо отметить, что этот
актуальный и перспективный для экологии воп
рос изучается давно, но о физиологических функ
циях элементов данной группы известно далеко
не все. Дальнейшие исследования в этой области
должны быть направлены на изучение действия
как малых, так и высоких концентраций тяжелых
металлов, приводящих и в том и другом случае к
уменьшению продуктивности биоресурсов и сни
жению устойчивости растений к неблагоприят
ным факторам природной среды.
Литература
свинца – появление темнозеленой окраски и
скручивание листьев. Устойчивость растений к
избытку свинца неодинакова: менее устойчивы
злаковые, более устойчивы бобовые культуры.
По механизму биологического действия
(Ni) сравним с железом и кобальтом. Будучи не
заменимым компонентом уреазы, никель потреб
ляется клубеньковыми бактериями бобовых ра
стений и стимулирует процессы нитрификации
и минерализации соединений азота. При избытке
никеля подавляются процессы фотосинтеза и
транспирации, появляются признаки хлороза.
Среднее содержание валовых форм никеля в
степных почвах области составляет 38,65 мг/кг,
при колебаниях от 11,40 до 75 мг/кг. Никель легко
извлекается растениями из почвы. Содержание
никеля в растительном покрове области состав
ляет 0,46–2,12 мг/кг сух. вва. При избытке Ni
подавляются процессы фотосинтеза и транспира
ции, появляются признаки хлороза.
Растения естественных ценозов в основном не
испытывают недостатка хрома (Cr). Поэтому не
отмечены факты и внешние симптомы проявле
ния его дефицита. Несмотря на естественное вы
сокое валовое содержание Cr в почвах, концент
рация растворимых его соединений очень мала, а
накопление в растениях незначительно [8].
Однако большую опасность для растительных
организмов представляет не дефицит, а избыток
хрома в природной среде. Особенно опасна его ше
стивалентная форма – Cr6+. Внешние симптомы
токсичности проявляются в снижении роста и
развития растений, увядании надземной части и
повреждении корневой системы, хлорозе молодых
листьев. При избытке хрома в растениях резко
снижается содержание большинства незаменимых
макро и микроэлементов (K, P, Fe, Mn, Cu, B).
Диапазон колебаний валовых форм хрома со
ставляет ряд от 5,02 до 81,74 мг/кг (при среднем
значении 34,18 мг/кг), что значительно ниже зна
чений ПДК и Кларка. Содержание хрома в степ
ной растительности Оренбургской области со
ставляет 0,10–0,63 мг/кг сух. вва.
Физиологическая роль кобальта (Co) в расте
ниях заключается в положительном влиянии на
рост растений и способность бобовых культур
фиксировать молекулярный азот из воздуха, а де
фицит кобальта подавляет образование гемогло
бина и фиксацию азота. Определено, что кобальт
входит в состав провитамина В12, образующегося
в растениях и необходимого для животных и чело
века. Ввиду того, что кобальт необходим растени
ям в очень малых количествах, недостаток его об
наруживается крайне редко. Поэтому система
диагностики дефицита этого микроэлемента раз
работана слабо. Факторами, способными вызвать
дефицит, являются высокое содержание гумуса,
карбонатность и выщелоченность почв.
1. Диксон, М. Ферменты / Диксон, М., Уэбб, Э. М.: Издво
ин. лит., 1961. 728 с.
2 . Ковда, В.А. Основы учения о почвах. Кн.2. М.: Наука, 1973.
468 с.
3 . Ряховский, А.В. Агрономическая химия (в приложении
к условиям степных районов Российской Федерации) /
А.В. Ряховский, И.А. Батурин, А.П. Березнев, Оренбург:
ИПК «Южный Урал», 2004. 283 с.
4 . Assink, J.M. Contaminated soil. Dordrecht, 1986. 923 p.
5 . Кабата Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях
/ А. Кабата Пендиас, Х. Пендиас. М.: Мир, 1989. 439 с.
6 . Ильин, В.Б. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах
и растениях Новосибирской области / В.Б. Ильин, А.И. Сы
со. Новосибирск: Издво СО РАН, 2001. 229 с.
7 . Ковальский, В.В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974.
281 с.
8 . Боев, В.М . Химические канцерогены среды обитания и
злокачественные новообразования / В.М. Боев, В.Ф. Кук
санов, В.В. Быстрых. М.: Медицина, 2002. 344 с.
31