Оценка экологического состояния почв придорожных зон улиц г. Оренбурга (на примере улицы Карагандинская)

Поглощение металлов корнями может  быть пассивным (неметаболическим) и активным (метаболическим): 

-   пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из почвенного раствора в эндодерму корней;

- при активном поглощении необходимы затраты энергии метаболических процессов, и оно направлено против химических ингредиентов.

При обычных концентрациях в  почвенном растворе поглощение тяжелых  металлов корнями растений контролируется метаболическими процессами внутри корней. Обнаруживаемое в ряде случаев  падение концентрации металлов в  растворе вблизи поверхности корней отражает более высокую скорость поглощения корнями по сравнению  с диффузионным и конвективным переносом  в почве. При высоких концентрациях  тяжелых металлов в почвенном  растворе в транспорте их к корням растений преобладающую роль играет диффузия.

Поступление тяжелых металлов в  растения через корневую систему  зависит, прежде всего, от количества этих металлов в почве. Коэффициенты корреляции между содержанием металлов в растениях и средах при разных условиях (тип почвы, влажность, кислотность и др.) могут быть достаточно высоки – в некоторых случаях превышают величину 0,80. Ученые отмечают как линейное, так и нелинейное возрастание содержания металлов при увеличении их концентрации в растворах или питательных средах. 
Различные виды растений в значительной степени различаются по способности поглощать тяжелые металлы. Высшие растения меньше накапливают тяжелые металлы и менее устойчивы к повышенным концентрациям, чем низшие. Наиболее высокое содержание ртути, кадмия, меди и цинка отмечено в грибах, мхах и лишайниках.

Как правило, высокой устойчивостью  к воздействию металлов отличаются виды растений, растущие в биохимических  провинциях с высокими концентрациями тяжелых металлов в течение длительного  исторического периода (металлофиты). Формирование устойчивости к металлам имеет генетическую основу. Эволюционные изменения у растений, возникающие под действием тяжелых металлов, отличают их от популяций тех же видов, растущих на обычных почвах. К металлофитам, например, относят растение Silene maritina, накапливающее в золе цинка до 21 000 мг/кг. Различают псевдометаллофиты, способные накапливать металлы только при попадании на обогащенный ими субстрат.

Культурные растения, как правило, в меньшей степени способны накапливать тяжелые металлы и обладают меньшей устойчивостью к ним, чем дикорастущие. Накопление в культурных растениях токсикантов опасно для здоровья человека, поскольку при этом допускается проникновение загрязнителей в пищевые цепи. В многочисленных полевых и вегетационных опытах установлена различная способность сельскохозяйственных культур к накоплению тяжелых металлов и устойчивости к ним.

Содержание избыточного количества тяжелых металлов в растительной массе может меняться в течение  вегетационного периода. Одна из причин этого – неспособность потока, поступающего из почвы в растения, равномерно в течение всей вегетации  насыщать тяжелыми металлами прирост  биомассы, который в середине лета достигает максимума, и хотя темп их поступления более или менее  равномерен, возникает так называемый «эффект разбавления».

Кобальт - в биосфере кобальт преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения - концентраторы кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация кобальта - в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10^-3% кобальта, в песчаниках 3·10^-5, в известняках 1·10^-5. Наиболее бедны кобальтом песчаные почвы лесных районов. 

Содержание кобальта в почвах определяет количество этого элемента в составе  растений данной местности, а от этого  зависит поступление кобальта в  организм травоядных животных. 

Кобальт применяют в сельском хозяйстве  как микроудобрения – удобрения, содержащие микроэлементы (B, Cu, Mn, Zn, Co и др.), т е вещества, потребляемые растениями в небольших количествах.

В растениеводстве значение кобальта в основном определяется его ролью  в развитии клубеньковых бактерий, поселяющихся на корнях бобовых растений. Поэтому бобовые культуры (клевер, люцерна, горох, фасоль, соя, бобы) в  первую очередь нуждаются в этом микроэлементе.

          Молибден -  в организме растений, животных и человека постоянно присутствует как микроэлемент, участвующий преимущественно в азотном обмене. Молибден необходим для активности ряда окислительно-восстановительных ферментов (флавопротеидов), катализирующих восстановление нитратов и азотфиксацию у растений. В растениях молибден стимулирует биосинтез нуклеиновых кислот и белков, повышает содержание хлорофилла и витаминов. Растворимые молибдаты в небольших дозах вводят в состав микроудобрений. Наиболее растворимы в воде и доступны для растений соединения Мо⁶⁺ в нейтральной и слабощелочной среде. На кислых почвах молибден малодоступен растениям, поэтому в таких условиях сказывается положительно внесение молибденовых удобрений. 

Молибден особенно важен для бобовых растений: он концентрируется в клубеньках бобовых, способствует их образованию и росту и стимулирует фиксацию клубеньковыми бактериями атмосферного азот. Также Молибден незаменимый участник ассимиляции нитратного азота, входящий в состав фермента нитратредуктазы, который обеспечивает восстановление нитратов в нитриты.

В растениях при недостатке молибдена  нарушается азотный обмен: появляются признаки азотного голодания, в тканях накапливается нитратный азот. Особенно чувствительны к недостатку этого  элемента бобовые, цветная капуста, помидоры и цитрусовые, выращиваемые на почвах с повышенной кислотностью.

Никель - в биологических системах никель обнаружен в составе ряда ферментов растений и микроорганизмов. Никель содержится в ферменте уреазе сои, бобов, табака, ряски.

Никель и его соединения обладают высокой токсичностью. Особенно вредны летучие соединения никеля. Растения в районе никелевых месторождений  могут накапливать в себе значительные количества никеля. Повышенное содержание никеля в почвах (например, в Южном Урале) приводит к эндемическим заболеваниям: в особенности у растений появляются уродливые формы.

Типичные симптомы повреждающего  токсического действия никеля: хлороз, появление желтого окрашивания  с последующим некрозом, остановка  роста корней и появления молодых  побегов или ростков, деформация частей растения, необычная пятнистость, в некоторых случаях - гибель всего растения.

Марганец – входит в состав ряда ферментов пептидаз, обеспечивающих расщепление в пептидах связи С-N, то есть участвует в обмене аминокислот и белков. Синтез жирных кислот также требует присутствия соединений Mn.

Важна роль катионов Mn и в обмене нуклеиновых кислот. Они активируют ферменты фосфодиэтеразы, обеспечивающие распад фосфодиэфирной связи в молекулах ДНК и РНК.

Незаменим Марганец и для азотистого обмена, прежде всего в растениях, бактериях и грибах. Он входит в  состав ферментов, обеспечивающих заключительный этап восстановления нитратного азота в аммонийный.

При недостатке марганца в почвах (низком содержании либо неблагоприятных условиях для усвоения его растениями) возникают заболевания растений. Дефицит марганца вызывает появление на листьях межжилкового хлороза: жилки остаются зелёными, а ткань между ними желтеет и позднее отмирает. Обычно при этом заболевании происходит задержка роста растений и их гибель. У различных видов растений заболевание марганцевой недостаточностью имеет свои специфические проявления.

Явление недостаточности марганца у растений в виде специфических  заболеваний наблюдается при  значительном дефиците марганца в почвах, однако, и при относительном недостатке подвижного марганца могут наблюдаться «стертые» формы недостаточности, проявляющиеся в задержке роста, уменьшении урожайности и т. п.

Обогащение растений марганцем  ведет к улучшению роста, плодоношения деревьев и урожайности многих культур, что нашло практическое использование. В качестве удобрений применяют  отходы марганцеворудной промышленности, отходы производства серной кислоты и др.

Медь - наряду с железом медь входит в состав окислительно-восстановительных ферментов нитритредуктазы и гипонитредуктазы. Эти ферменты активируют в растениях и микроорганизмах (грибах и бактериях) поэтапное восстановление нитратного азота. Таким образом, от работы этих ферментов зависит усвоение растениями и микроорганизмами важнейшего биогенного элемента – азота.

Содержащий медь фермент полифенолоксидаза регулирует активность в растениях гормонов роста и развития – ауксинов. В растениях до 75% меди концентрируется в хлоропластах, где сосредоточен белок синего цвета пластоцианин, содержащий медь. Этот белок активно участвует в транспорте электронов при фотосинтезе.

Недостаток меди приводит к пожелтению молодых листьев растений, они  теряют упругость, а в жаркую погоду увядают; задерживается образование  стеблей, семян и плодов. Медное голодание  усиливается при обилии в почве  азота, а также железа Fe (II), которое служит физиологическим антагонистом меди.

В то же время в больших дозах  медь токсична, особенно для грибов и бактерий. На протяжении более 200 лет  садоводы всего мира применяют для  борьбы с грибными и бактериальными болезнями растений бордоскую медь, которая содержит в себе основную сернокислую медь CuSO₄·3Cu(OH)_2. В отличие от медного купороса бордоская жидкость имеет нейтральную реакцию и не вызывает ожогов у растений.

Цинк - является компонентом ряда ферментных систем. Он необходим для образования дыхательных ферментов - цитохромов А и Б, цитохромоксидазы (активность которой резко падает при недостаточности цинка), входит в состав фермента алкогольдегидразы (разрушает этиловый спирт). Цинк связан с превращением содержащих сульфгидрильную группу соединений, функция которых состоит в регулировании уровня окислительно-восстановительного потенциала в клетках. 

При недостатке цинка в вакуолях клеток накопляются полифенолы, фитостерин, лецитин как продукты неполного окисления углеводов и белков; в листьях обнаруживается больше редуцирующих сахаров и фосфора и меньше сахарозы и крахмала. При отсутствии цинка нарушается процесс фосфорилирования глюкозы. Недостаток цинка ведет к значительному уменьшению в растениях ростового гормона - ауксина.

Цинк является составным компонентом  фермента карбоангидразы. Входя в  состав карбоангидразы, цинк влияет на важнейшую фотохимическую реакцию  «темновой» утилизации углекислого газа растениями и на процесс выделения СО₂, то есть на процесс дыхания растений. Растения, развивающиеся в условиях недостаточности цинка, бедны хлорофиллом; напротив, листья, богатые хлорофиллом, содержат максимальные количества цинка. В зеленых листьях цинк, возможно, связан с порфиринами.

Под влиянием цинка происходит увеличение содержания витамина С, каротина, углеводов  и белков в ряде видов растений, цинк усиливает рост корневой системы  и положительно сказывается на морозоустойчивости, а также жаро-, засухо- и солеустойчивости растений. Болезни недостаточности цинка распространены преимущественно среди плодовых деревьев; могут заболевать также хвойные растения и кукуруза.

Некоторые растения особенно отзывчивы  на цинковые удобрения. При использовании  минеральных удобрений, содержащих 20 кг сернокислого цинка на 1 га, наблюдается  больший урожай зерна кукурузы, чем  от применения любой удобрительной  смеси без цинка. При этом кукуруза, больная «побелением верхушки», полностью выздоравливает - исчезает хлороз, появляются нормальные зеленые листья.

Свинец - роль свинца в жизнедеятельности организмов изучена недостаточно. Известно, что он необходим для организмов в небольших количествах. Дефицит свинца понижает скорость роста животных, нарушает обмен железа, изменяет действие некоторых ферментов и концентрацию отдельных веществ в печени, связанных со статусом железа.

Свинец снижает урожайность  растений, подавляет процесс фотосинтеза, препятствует поступлению некоторых  микроэлементов в организм. Внешние  признаки: появление тёмно-зелёных  листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. 

Существуют многочисленные доказательства постепенного накопления свинца в растениях, тканях животных и человека в результате повседневного загрязнения окружающей среды свинцом.

Ртуть - на почвах, загрязненных ртутью, установлено, что соотношение содержания этого элемента в корнях, листьях и зерне составляло соответственно 30 : 3 : 1, т.е. сравнительно небольшая часть поступившей в растения ртути достигла зерна, оставаясь преимущественно в корнях. 
Преимущественное накопление металлов в корнях объясняется тем, что при проникновении в плазму происходит инактивация и депонирование значительных количеств тяжелых металлов в результате образования малоподвижных соединений с органическими веществами.

4. Влияние загрязненных почв на здоровье человека

Здоровье человека в значительной степени определятся той средой, в которой он вынужден жить, и, как  оказалось, почве в этом вопросе  принадлежит немаловажная роль. Некоторые  заболевания, причины которых ранее  были неизвестны, связаны с определенными  почвенными условиями: избытком или  недостатком химических элементов, нарушением их соотношения. Наиболее широко известными примерами из этой области  являются заболевания щитовидной железы (зоб и базедова болезнь), поражения  зубной эмали (кариес и флюороз), но их список очень велик и продолжает расширяться. Так, имеются сведения о связи с особенностями почвенного покрова и онкологических заболеваний. Изучение онкологами географического  распространения рака желудка показало, что в Тунисе, Египте, Афганистане  заболеваемость раком желудка значительно  ниже, чем в Англии, Франции, США. Клинические исследования позволили  предположить повышенный риск этого  заболевания с недостаточным  содержанием магния в пище (следовательно, в воде и почвах), а также с  нарушением соотношения в почвенном  растворе между ионами Са, Mg, Mn. Такие заболевания по предложению А.П. Виноградова были названы эндемическими, а территории с аномальным содержанием химических элементов - эндемическими провинциями. В.В. Ковальский составил карту биогеохимических зон и провинций СССР. На ней он выделил районы распространения ряда заболеваний человека и животных, обусловленных биогеохимическими свойствами почв и вод. Разгадка возникновения эндемических болезней позволила выработать меры нейтрализации этих явлений.