Изучение влияния тяжелых металлов на рост и развитие пшеницы

Содержание

 

Введение …………………………………………………………………..3-6

I Обзор литературы 

1.1. Общая характеристика  тяжелых металлов………………………….7-22

1.2. Загрязнение растений  металлами и его экологическое

 последствие………………………………………………………….…. .23-29

1.3. Накопления растениями металлов из почвы………………………..29-30

1.4. Накопления растениями  металлов из воздуха……………………...30-32

1.5. Адаптация растений  к токсическим промышленным выбросам….32-35

1.6. Механизмы поступления  тяжелых металлов в растения………….35-41

II  Экспериментальная часть

2.1. Методы и материалы………………………………………………..44-45

Результаты  и обсуждения……………………………………………..46-59

Выводы…………………………………………………………………..60

Список литературы…………………………………………………….61-65

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

       Актуальность работы: В настоящие время зерно пшеницы является основным товаром сельскохозяйственного производства Северного Казахстана, как на внутреннем, так и на международных рынках. Поэтому наряду с увеличением объемов его производства большое влияние уделяется соответствию его качественных показателей мировым стандартам, в том числе по содержанию тяжелых металлов.

         Получение высоких, устойчивых  и качественных урожаев зерновых  культур в Северном Казахстане  без широкого применения минеральных  удобрений невозможно, из- за низкой  обеспеченности почв этого региона- черноземов обыкновенных и южных подвижными формами фосфора, а в последние годы и азота. Однако минеральные удобрения наряду с основным  действующим веществом содержит примеси, в том числе и тяжелых металлов, способных загрязнять почву, выращиваемую на ней продукцию, а также прилегающую к агроценозам природную среду.

Среди химических загрязнителей тяжелые металлы (химические элементы с относительной атомной  массой более 40) имеет особое экологическое, биологическое и здравоохранительное значение. Исключительно важная роль в жизни растений принадлежит микроэлементам - тяжелым металлам. Они входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов, гормонов, которые регулирует течение жизненных процессов в растениях и организмах животных и человека. Основным источником, откуда растения берут микроэлементы, является почва. Она, чаще всего, выступает природным буфером, контролирующим перенос химических элементов в гидросферу и живое вещество.

             Присутствие тяжелых металлов в почвах не всегда характеризует их токсичность. Такие металлы как медь, цинк, молибден, марганец, кобальт и железо в небольших количествах необходимы для нормального роста и развития растений. При их недостаточном содержании в почве снижается урожайность выращиваемых растений, получаются неполноценные корма, возникает заболеваемость растений и животных. Но их избыточная концентрация в почве приводит к повышенному их содержанию и замедляет,а иногда и угнетает рост и развитие растениий. В связи с возрастающим антропогенным воздействием на окружающую среду проблема ее загрязнения тяжелыми металлами становится все более актуальной. Многие растения обладают способностью аккумулировать тяжелые металлы в количестве, во много раз превышающем их содержание в почве, и, как результат, являются основным источником их поступления в пищевые цепи. 
       Ответная реакция растительного организма на вредные факторы окружающей среды также характеризуется своей неоднородностью среди растений, так как некоторые растительные организмы более восприимчивы, чем другие.

        Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам. Роль этих элементов в биологических системах обусловлено их способностью образовывать комплексы, многие ферменты, выполняющие роль катализаторов функционируют благодаря содержанию в них ионов металлов.

        Токсическое действие металлов проявляется в угнетении роста, снижение продуктивности, в хлорозах и некрозах.

        Высокие концентрации тяжелых металлов инактивируют метаболически важные белки, ферменты, нарушается их активность и свойства, что в свою очередь нарушают физиологические процессы в растениях в целом.

      Все перечисленные факторы обосновывают важность и актуальность исследований.  

Цель работы: Изучение влияния тяжелых металлов на рост и развитие пшеницы.

           Задачи:

1. Влияние тяжелых металлов различных концентраций на всхожесть пшеницы.
2. Влияние тяжелых металлов на рост корневой и побеговой  систем проростков пшеницы.
3. Определение локализации тяжелых металлов в различных органах проростков пшеницы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I Литературный обзор

1.1 Общая характеристика тяжелых  металлов

        Тяжелые металлы относятся приоритетным загрязняющим веществам, характеризующим веществам, получил в последнее время значительное распространение. В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относится более 40 металлов периодической системы Д.И.Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb ,Bi и др. [1]

При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых  металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых  организмов в биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия, и висмуса, биологическая роль, которых настоящий момент не ясен ), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. [2,5]  По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см³. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb. C, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. [1,8.]

          Формально определению, тяжелые металлы соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленные направлением и спецификой работ. [5, 13, 16.]

      Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления входит в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными  или входить в состав минеральных или органических взвесий. [1,4.]

       Не редки явления, когда жизненно важные элементы становятся токсичными при концентрации выше нормальной. Не разлагающие биосистемой токсические металлы не только накапливаются, влияя на здоровье людей, жизнь, животных и растений, часто взаимодействуют с другими токсическими веществами в природе, становятся токсичными.  [14, 23.]

       Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связанно с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов ) и комплексообразования с различными лигандами. [9,10.] Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме. [11]

       Многие металлы образуют довольно приличные комплексы, являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральных, слабощелочной и слабокислой сред. Поэтому металлоорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительное расстояния. [13,14]  Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностность вод, в которых образование других комплексов невозможно.

       Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.

        Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия:

1. Может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его из донных отложений;
2. Мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;
3. Токсичность металла в результате комплексообразования может может сильно измениться. [13.]

        Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий. [18,19]

         Повышение концентраций тяжелых металлов в природных водах часто связанно с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадание кислотных осадков способствует снижению значения   pH и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное. [7,19]

        Прежде всего, представляет интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют атмосферу ввиду использования их в значительных объемах в производственной  деятельности  и в результатах накопления во внешней среде представляет серьезную опасность с точки зрения биологической активности и токсичности свойств. К ним относятся свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.  [16,20]

Ванадий

    Ванадий находится преимущественно в рассеянном  состоянии и обнаруживается в железных рудах, нефти, асфальтов, битумах, горючих сланцах, углях и др. одним из главных источников загрязнения природных вод ванадием является нефть ее переработки. [13]

     В природных водах встречаются в очень малой концентрации: в воде рек 0,2- 4,5 мкг/дм³, в морской воде- в среднем 2 мкг/дм.

    В воде образуется устойчивые анионные комплексы (V₄О₁₂)^4- и (V₁₀О₂₆)^6-. В миграции ванадия вредны для здоровья человека. ПДК ванадия составляет 0,1 мг/дм³ (лимитирующий показатель вредности- санитарно- токсилогический), ПДКвр- 0,001 мг/дм³. [11]  

  Висмут

        Естественными источниками поступления висмута в природные зоны являются процессы выщелачивания висмутсодержащих минералов. Источником поступления в природные воды могут быть также сточные воды фармацевтических и парфюмерных производств, предприятий стекольной промышленности. [16]

        В загрязненных поверхностных водах содержится в субмикрограммовых концентрациях. Наиболее высокая концентрация обнаружены в подземных водах и составляет 20 мкг/дм³. ПДКв составляет 0,1 мг/дм³.  [11, 14]

Железо

       Главным источником соединений железа в поверхносныхводах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением. В процессе взаимодействия с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Значительное количество железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической , текстильной, лакокрасочной промышленности и сельскохозяйственными стоками.[18]

       Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли миллиграмм, в близи болот – единицы миллиграмма. Повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах, в которых оно находится в виде комплексов с солями гуминовых кислот- гутатами. Наибольшие концентрации железа (до нескольких десятков и сотен миллиграммов в 1 дм³) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями pH. [11]

    Концентрации железа подвержена заметным сезонным колебаниям. Обычно в водоемах с высокой биологической продуктивностью в период летней и зимней стагнации заметно увеличение концентрации железа в природных слоях воды. Содержание железа в воде выше 1-2 мг Fe/л значительно ухудшает органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, делает воду малопригодной для использования в технических целях. ПДКв железа составляет 0,3 мг/дм³.

Кадмий

   В природные воды поступает при выщелачивании почв, полуметаллических и медных руд, в результате разложения водных организмов, способных его накапливать. Соединения кадмия выносятся в поверхностные водами со сточными водами свинцово- цинковых заводов, рудообогатительных фабрик, ряда химических предприятий (производство серной кислоты), гальванического производства, а также с шахтными водами. Растворенные формы кадмия представляют собой главным образом минеральные и органоминеральные комплексы.  [19]

  Соединения кадмия играют важную роль в процессе жизнедеятельности животных и человека. У человека он вызывает сердечно- сосудистые болезни и гипертонию. В повышенных концентрациях токсичен, особенно в сочетании с другими токсичными веществами. Кадмий в следствии своей повышенной способностью усваиваться растениями, проникает в организм человека по схеме: почва- растение- продукты питания. [11,21]

ПДКв составляет 0,001 мг/ дм³, ПДКвр-0,0005 мг/ дм³ (лимитирующий признак вредности-токсилогический).

Кобальт

  В природные  воды соединения кобальта попадают  в результате процессов выщелачивания  их из медноколчедановых и  других руд, из почв при разложении организмов и растений, а также со сточными металлургических, металлообрабатывающих и химических заводов. Некоторое количество кобальта поступают из почв в результате разложения растительных и животных организмов.

Кобальт относится  к числу биологически активных элементов и всегда содержится в организме животных и растений. Входя в состав витамина В_12, кобальт весьма активно влияет на поступление азотистых веществ, увеличение содержание белкового азота в растениях. [17]   вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными.