Связь физико-географических условий и содержания (соотношением) подвижных форм ТМ в почвах степей на примере почв Южного Урала и Ростовской области

Введение
К тяжелым металлам относят химические элементы с атомной массой более 50, например, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, кадмий, свинец, ртуть. При высокой их концентрации в почве, они могут оказывать токсическое воздействие на растения и животных подземной и наземно-воздушной сред обитания. Также в список токсичных элементов входят мышьяк и сурьма, являющиеся полуметаллами.
Тяжелые металлы в почвах могут находиться в различных формах. По наиболее простой классификация форм металлов их можно отнести к нерастворимым, водораство-римым и кислоторастворимым. Нерастворимые формы металлов наиболее прочно связа-ны с почвой и являются менее опасными. Легко извлекаемые соединения тяжелых метал-лов относят к подвижным формам, то есть наиболее доступным и опасным для растений и животных, и в целом для экосистемы.
Важным показателем почв по отношению к аккумуляции тяжелых металлов явля-ется ее буферность. Буферность – это способность почв противостоять внешним измене-ниям среды. Буферность почв зависит от количества гумуса, карбонатов и содержания глины. Наименьшей устойчивостью к загрязнениям обладают песчаные и супесчаные почвы, наибольшей устойчивостью – суглинистые и глинистые.
Почва является основной средой аккумуляции тяжелых металлов, так как в нее по-падают выбросы из атмосферы и водной среды. Поэтому важной задачей экологов явля-ется периодическое проведение почвенного экологического мониторинга с целью изуче-ния текущего состояния почвы и оценки изменения степени ее загрязнения.

 
Физиологическая роль тяжелых металлов
Тяжелые металлы занимают особое место среди многих загрязнителей, которые оказывают неблагоприятное воздействие на агроэкосистемы. Большое количество тяже-лых металлов поступает в окружающую среду и рассеивается в ней из-за промышленного производства: выбросы в атмосферу, сточные воды и др. Часть тяжелых металлов рассеи-вается рядом с источниками загрязнения, другая часть включается в региональные мигра-ционные потоки и приводит к увеличению концентраций химических элементов в при-родных средах.
Поступая в почву, металлы аккумулируются в ее верхних слоях в различных хи-мических формах. Разные формы тяжелых металлов характеризуются различной подвиж-ностью, миграционной способностью и токсичностью. Как правило, они находятся в почве в форме труднорастворимых и легкорастворимых соединений. Легкорастворимые соединения при поступлении в почву сразу начинают распределяться по ее верхним сло-ям и активно взаимодействовать с почвенными компонентами. Труднорастворимые со-единения при длительном нахождении в почве под воздействием факторов окружающей среды и жизнедеятельности растений и животных также могут перейти в растворимые формы и стать дополнительным источником загрязнения.
Накопление больших количеств тяжелых металлов в почве может в значительной мере повлиять на такие ее гумусное состояние, структуру, кислотность (рН) среды и др., что может привести к снижению общей численности микроорганизмов, уменьшению ин-тенсивности основных микробиологических процессов, трансформации структуры мик-робиоценозов, активности почвенных ферментов и т. д. Состав и количество накаплива-ющихся в почве элементов зависят от гранулометрического состава гумуса, кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий, сорбционной способности, ин-тенсивности биологического поглощения. Часть тяжелых металлов прочно удерживается компонентами почвы и не участвует в миграции по почвенному профилю, и, соответ-ственно, не представляет опасности для живых организмов. Так, песчаные и супесчаные почвы обладают наименьшей устойчивостью к загрязнению из-за небольших размеров частиц почвы по сравнению с суглинистыми и глинистыми почвами. Подвижные соеди-нения металлов оказывают максимальное отрицательное воздействие на экологию.
Постоянное поступление тяжелых металлов в почву может изменить ее фон. Фо-новое количество химических веществ в почвах характеризует региональный фон, кото-рый образуется в результате совокупного действия всех факторов почвообразования. Местные фоновые значения оценивают по минимальному содержанию тяжелых металлов в окрестности исследуемого объекта, или, если городские территории загрязнены настолько, что фон превышает ПДК, то используют почвы местных лесопарковых зон.
При небольшом содержании тяжелых металлов в почве, они могут оказывать по-ложительное влияние на экосистемы (таблица 1).
Таблица 1.
Тяжелый
металл Положительное влияние
Свинец Содержание свинца в почвах в диапазоне 0,05 – 0,5 мг/кг необходимо для жизнедеятельности крыс и растений
Кадмий В низких концентрациях стимулирует рост некоторых животных
Цинк Цинк активизирует ферменты углеводного обмена (альдолазы, энола-зы, карбоксилазы и др.) и способствует повышению интенсивности фотосинтеза, участвует в обмене витамина А. При недостатке цинка в листьях растений наблюдается скопление редуцирующих сахаров и в меньших количествах — сахарозы и крахмала. Цинк влияет на синтез и гидролиз углеводов. Недостаток цинка приводит к патологическим изменениям в растениях. Среди них главным является задержка роста.
Медь Участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, азотном обмене в расте-ниях, усвоении аммиака растениями входит в состав ферментов-оксидаз. Недостаточность меди у растений проявляется заболевания-ми: «белая чума», «болезнь верещатников», «болезнь обработки». Пло-довые деревья при недостатке меди заболевают суховершинностью (экзантемой).
Никель Участвует в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов – ДНК, РНК и белка, необходим для гормо-нальной регуляции организма. Недостаток металла у жвачных сель-скохозяйственных животных проявляется в снижении активности ферментов и возможности летального исхода.
Хром Взаимодействует с инсулином в процессах углеводного обмена, участ-вует в структурировании и функционировании нуклеиновых кислот и щитовидной железы
Марганец Участвует в работе целого ряда природных белковых катализаторов-ферментов, регулирующих процессы фотосинтеза, дыхания и азотного обмена растений, участвует в окислении продуктов карбоновых кис-лот, влияет на синтез и содержание сахаров в листьях, корнях и стеб-лях растений. Особенность физиологической роли Mn — сохранение определенных соотношений Fe и Mn в растении. Недостаток Mn в почве вызывает у большинства растений бурую пятнистость.

Отрицательное влияние большого количества тяжелых металлов на растения пред-ставлено в таблице 2.
Таблица 2.
Тяжелый металл Отрицательное влияние
Свинец При валовом содержании свинца в почве от 100 до 500 мг/кг начинает воз-никать токсический эффект свинца. Он ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза. Последствия: снижается урожайность растений и рез-ко ухудшается качество продукции. Внешние симптомы: появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва.
Кадмий Нарушение активности ферментов, торможение фотосинтеза. Внешние симптомы у растений: задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев.
Цинк Может вызывать хлороз молодых листьев (заболевание, возникающее на фоне недостатка хлорофилла.).
Медь Вызывает замедление или прекращение формирования репродуктивных ор-ганов растений, появление щуплого зерна, пустозернистых колосьев, сни-жение устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды. Наибо-лее чувствительны к ее недостатку пшеница, овес, ячмень, люцерна, столо-вая свекла, лук и подсолнечник.
Никель Подавляет процессы фотосинтеза и транспирации (процесс движения воды через растение и её испарение через наружные органы растения, такие как листья, стебли и цветки), вызывает хлороз листьев.
Хром Внешние признаки: ухудшается рост растений, возможно увядание надзем-ной части, повреждается корневая система, может появиться хлороз моло-дых листьев.
Марганец Токсическое действие и гибель растений.

Накопление тяжелых металлов в почве и растениях впоследствии отрицательно сказывается на животных и человеке. Отрицательное влияние тяжелых металлов на орга-низм животных и растений представлено в таблице 3.
Таблица 3.
Тяжелый металл Отрицательное влияние
Свинец Способен накапливаться в печени, почках, селезенке и костных тканях. При свинцовом токсикозе страдают в первую очередь органы кроветворения (анемия), нервная система (энцефалопатия и нейропатия) и почки (нефропа-тия).
Кадмий Способен легко усваивается из пищи и воды и быстро накапливается в ор-ганизме человека и животных. Ингибирует синтез нуклеиновых кислот, ДНК, белков, влияет на активность ферментов, нарушает усвоение и обмен других микроэлементов (цинка, меди, селена, железа). Приводит к наруше-ниям почечной функции, легочной недостаточности, анемии и потере обоняния.