Содержание к диссертации
Введение
1 Тяжелые металлы в системе почва-растение-животный организм: анализ состояния изученности проблемы (обзор литературы) 10
1.1 Антропогенное загрязнение почвы 10
1.2 Содержание тяжелых металлов в почве 14
1.3 Характеристика поведения кадмия, никеля, цинка в почвах 19
1.4 Биологическая роль и фитотоксичность тяжелых металлов 24
1.5 Физиологическая, биохимическая роль и токсикологическое действие тяжелых металлов на организм животных 34
2 Объекты, условия и методы проведения исследований 40
3 Баланс химических элементов и микробиологическое состояние лугово-черноземной почвы при применении кадмия, никеля, цинка 51
4 Влияние тяжелых металлов на прорастание семян растений и урожайность корнеплодов столовой свеклы и моркови 58
4.1 Зависимость показателей прорастания семян растений от уровня содержания тяжелых металлов в питательной среде 58
4.2 Влияние тяжелых металлов на урожайность корнеплодов столовой свеклы и моркови 64
5 Влияние тяжелых металлов на химический состав растений 68
5.1 Содержание кадмия, никеля, цинка в растениях столовой свеклы и моркови 68
5.2 Содержание и соотношение тяжелых металлов в растениях столовой свеклы и моркови 77
5.3 Отношения между макроэлементами и тяжелыми металлами в растениях столовой свеклы и моркови 89
5.4 Вынос тяжелых металлов при применении кадмия, никеля, цинка 93
5.5 Коэффициенты использования тяжелых металлов из почвы и удобрений...96
6 Влияние тяжелых металлов на качество корнеплодов столовой свеклы и моркови 101
6.1 Биосинтез сухого вещества 101
6.2 Биосинтез Сахаров 104
6.3 Тяжелые металлы и содержание нитратов 106
6.4 Влияние кадмия, никеля, цинка на накопление тяжелых металлов в корнеплодах столовой свеклы и моркови 110
7 Влияние тяжелых металлов на организм животных 115
7.1 Поступление тяжелых металлов в организм животных и их влияние на изменение биохимических показателей, характеризующих функциональное состояние печени кроликов 115
7.2 Результаты патологогистологического и патологоанатомического исследования 125
7.3 Тяжелые металлы в системе почва-растение-животное 135
8 Биоэнергетическая оценка использования тяжелых металлов в растениеводстве 144
Общие выводы 147
Рекомендации производству 150
Список использованной литературы 151
Приложения 178
- Физиологическая, биохимическая роль и токсикологическое действие тяжелых металлов на организм животных
- Баланс химических элементов и микробиологическое состояние лугово-черноземной почвы при применении кадмия, никеля, цинка
- Отношения между макроэлементами и тяжелыми металлами в растениях столовой свеклы и моркови
- Влияние кадмия, никеля, цинка на накопление тяжелых металлов в корнеплодах столовой свеклы и моркови
Введение к работе
Загрязнение окружающей среды химическими веществами, вредными и опасными для здоровья, во все больших масштабах приобретает значение экологического фактора [32, 38, 64, 71, 96, 97, 107, 129]. В связи с этим расширяется и трансформируется круг задач, включающих изучение свойств токсических веществ, механизма их действия на живой организм, диагностики и профилактики их вредного влияния.
Установлено, что основными источниками поступления вредных химических веществ в окружающую среду являются: теплоэлектроцентрали и другие крупные энергетические установки; предприятия химической, металлургической и других отраслей промышленности; автомобильный, воздушный, морской виды транспорта; применение в сельском хозяйстве пестицидов, гербицидов, химических удобрений и других агрохимикатов. Среди многочисленных загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы (ТМ) - к ним условно относят химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов или металлоидов [ 69, 81, 93, 94, 102, 166, 178, 183, 204, 235, 246, 258 ].
По данным аналитических исследований в г. Омске установлена высокая степень загрязнения почв и почвогрунтов городской территории тяжелыми металлами. Площади с превышением предельно допустимых концентраций в почве свинца, цинка, никеля, кадмия, меди и мышьяка занимают 30-70% городской территории, выходя за ее пределы в сельские регионы вдоль основных автомагистралей [225]. В целом по данным Госкомэкологии зарегистрировано в Омской области свыше 1022 га загрязненных тяжелыми металлами земель.
Тяжелые металлы обладают большим сродством к физиологически важным органическим соединениям и способны инактивировать последние. Их избыточное поступление в организм живых существ нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие. В сельском хозяйстве это выражается в снижении выхода продукции и ухудшении ее качества. Поскольку тяжелые ме-
61-5660005 (2277x3440x2 tiff) таллы поступают в организм человека и травоядных животных в основном с растительной пищей, а обогащение последней происходит главным образом из почвы, почвенно-агрохимические исследования техногенно загрязненных территорий приобретают важное значение. Поступившие в организм человека и животных тяжелые металлы выводятся очень медленно. Они способны к накоплению главным образом в почках и печени. В связи с этим растительная продукция даже со слабозагрязненных почв способна вызвать кумулятивный эффект - постепенное увеличение содержания тяжелых металлов у человека (животных) [102].
Таким образом, загрязнение почвы тяжелыми металлами может на долгие годы сделать ее непригодной для получения доброкачественной продукции. Поэтому необходим контроль за содержанием этих элементов в объектах окружающей среды и изучение закономерностей поведения токсикантов в системе почва-растение-животный организм. Наиболее актуальными такие исследования являются в зонах напряженной экологической ситуации, в частности, в Омской области.
Цель и задачи исследования. Цель работы: дать агроэкологическую оценку действия тяжелых металлов (кадмия, никеля, цинка) в системе почва-растение-животный организм в условиях Омской области.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: установить влияние кадмия, никеля, цинка на химический элементный состав почвы, растений, величину и качество урожая столовой свеклы и моркови; изучить антагонизм и синергизм ионов макро- и микроэлементов (тяжелых металлов) при поступлении их в растения в зависимости от физиологической потребности растительного организма на разных стадиях онтогенеза, наличия и соотношения химических элементов в почве и других факторов;
61-5660006 (2281x3443x2 tiff) определить биохимические, гистологические и патологоанатомические изменения у кроликов, потреблявших в пищу корма, выращенные при применении кадмия, никеля, цинка; построить модель прогноза действия тяжелых металлов в системе почва-растение-животное в условиях Омской области с учетом агрохимической, биоэнергетической и экологической оценки.
Научная новизна. Впервые разработаны коэффициенты "в" интенсивности действия кадмия, никеля, цинка, на химический состав лугово-черноземной почвы, позволяющие прогнозировать изменения содержания подвижной формы тяжелых металлов в почве в зависимости от дозы их поступления .
С помощью наших исследований впервые получены данные о влиянии кадмия, никеля, цинка на химический состав, качество и продуктивность корнеплодов столовой свеклы и моркови, выращенных на лугово-черноземной почве Омской области. Изучены процессы антагонизма и синергизма ионов тяжелых металлов при поступлении их в растения столовой свеклы и моркови. Определены пути оптимизации питания растений в условиях техногенного загрязнения почв тяжелыми металлами.
Установлены биохимические, гистологические и патологоанатомические изменения у кроликов, в рационе которых содержались корма, выращенные при применении тяжелых металлов.
Проведенные исследования способствуют прогнозированию действия тяжелых металлов в системе почва-растение-животное в зависимости от особенностей климата, почвы, культуры и свойств металла.
Практическая значимость и реализация результатов исследования.
Основные выводы и положения диссертации могут быть использованы в агро-химцентрах и овощеводческих хозяйствах при оценке обеспеченности почв и растений подвижными формами кадмия, никеля, цинка. Полученные материалы
61-5660007 (2277x3440x2 tiff) могут быть взяты за основу для создания модели прогноза действия тяжелых металлов в системе почва-растение-животный организм в конкретных агроэко-логических условиях, что в дальнейшем будет способствовать созданию оптимального питания растений и предотвращению негативного влияния тяжелых металлов в условиях антропогенного загрязнения почв.
Результаты исследований использованы в центре агрохимической службы «Омский», а также в учебном процессе по курсам «Агрохимия», «Экологическая химия», «Биохимия» в Омском государственном аграрном университете.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на ежегодных научно-практических конференциях ОмГАУ (1999-2000 гг.), межрегиональной научно-практической конференции «Природа и природопользование на рубеже 21 века» (1999 г.) и на ежегодных отчетах аспирантов кафедры агрохимии ОмГАУ (1997-2000 гг.).
По материалам диссертации опубликовано 7 работ: в сборнике материалов Международной региональной научно-практической конференции «Природа и природопользование на рубеже 21 века» (г. Омск, 1999 г.); в сборнике материалов всероссийской конференции «Экоаналитика-2000» (г. Краснодар, 2000 г.); в журнале «Омский научный вестник» ( г. Омск, 2000 г.), в сборнике трудов «Молодые ученые Сибирского региона - аграрной науке» (г. Омск, 2000 г.), в сборнике материалов международной конференции «Экология и жизнь-2000» (г. Великий Новгород, 2000 г.), в сборнике материалов всероссийской научно-методической конференции патологоанатомов ветеринарной медицины (г. Омск, 2000 г.).
Аннотация работы. Исследования проводились на базе кафедры агрохимии ОмГАУ. Объектом исследования влияния тяжелых металлов служили почва, выращиваемые на ней растения, животные. Почва - лугово-черноземная тяжелосуглинистая среднегумусовая среднемощная. Изучаемые объекты - столовая свекла, морковь, под которые вносили в почву кадмий в дозе 7, никель -
61-5660008 (2277x3440x2 tiff)
22, цинк - 36 кг/га и животные - кролики породы советская шиншилла. Изучалось действие вносимых в лугово-черноземную почву тяжелых металлов на химический состав, качество, урожайность корнеплодов столовой свеклы и моркови, а также влияние кормов с повышенным содержанием тяжелых металлов на функциональные, гистологические и патологоанатомические изменения у животных.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: влияние кадмия, никеля, цинка на химический состав почвы, растений, величину и качество урожая столовой свеклы и моркови; влияние избыточного количества тяжелых металлов, содержащихся в кормах кроликов, на биохимические, патологогистологические и патологоанатомические изменения у животных.
Экспериментальные исследования выполнены на опытном поле и в проблемной лаборатории диагностики питания растений кафедры агрохимии ОмГАУ.
При проведении автором исследований регулярную помощь оказывала доцент кафедры агрохимии Н. К. Трубина, за что автор выражает ей глубокую признательность. Автор также выражает благодарность доценту кафедры агрохимии Э. Д. Орловой и другим преподавателям кафедры агрохимии за консультации при проведении исследования. За помощь в проведении лабораторных исследований автор благодарит старшего лаборанта кафедры агрохимии Л. Ю. Котельникову, сотрудников лаборатории питания растений ОмГАУ, студентов 3-5 курсов факультета агрохимии и агропочвоведения.
Определение содержания тяжелых металлов в почве и растениях проводили в агрохимическом центре «Омский», за что автор благодарит доцента В. М. Красницкого, сотрудников Г. Д. Аверину, Т. Н. Лебедеву.
Патологоанатомические и гистологические исследования проводились на кафедре патологической анатомии ИВМ ОмГАУ, за что автор выражает
61-5660009 (2277x3440x2 tiff) свою признательность заведующему кафедрой профессору Н. Г. Мельнику и доценту В.А. Сервуле.
Автор выражает свою глубокую признательность за доброжелательное отношение и регулярную помощь своему руководителю, доктору с-х. наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ, академику международной академии АО, лауреату премии академика Д. Н. Прянишникова Ю. И. Ермохину.
61-5660010 (2335x3478x2 tiff)
Физиологическая, биохимическая роль и токсикологическое действие тяжелых металлов на организм животных
Одним из важнейших источников поступления микроэлементов в организм животных являются кормовые растения. Однако корма, выращенные на загрязненных территориях, могут содержать повышенные количества тяжелых металлов без заметных признаков угнетения.
Металлы с кормом поступают в желудочно-кишечный тракт животного. Многие из них начинают проявлять свое биологическое действие еще до поступления в кровь. Они оказывают активизирующее действие на разнообразную микрофлору, обильно населяющую кишечник и желудок. Из желудочно-кишечного тракта тяжелые металлы всасываются в кровь, преимущественно в ионизированном виде. Основной участок всасывания - двенадцатиперстная кишка и начальный отдел тощей кишки. С током крови тяжелые металлы в комплексе с белками, аминокислотами, жирными кислотами разносятся по всему организму. Микроэлементы (в том числе тяжелые металлы) можно обнаружить во всех органах и тканях в различной концентрации, которая зависит от биологической роли элемента, функциональной роли органа [1, 17, 21, 44, 45, 46, 54, 63, 73, 84, 126].
Первично микроэлементы поступают в печень - орган, имеющий наибольшее значение, т. к. выполняет большую синтетическую и антитоксическую функцию в организме [17, 21, 91, 174, 175, 185, 187, 238, 242].
Как и для растительных организмов, для животных многие металлы необходимы в жизнедеятельности. На сегодняшний день определенная биохимическая роль установлена для кобальта, меди, цинка, марганца, молибдена, стронция. Эти элементы обладают различной функциональной активностью. Они регулируют процессы метаболизма в животном организме, т. к. входят в состав гормонов, витаминов, ферментов и других биологически активных веществ [54, 159-163, 175, 220]. Роль в нормальных процессах метаболизма многих других тяжелых металлов не изучена, однако доказана их токсичность. При поступлении в организм в повышенных количествах многие тяжелые металлы рассматриваются как кумулятивные яды. Степень токсичности металла возрастает с повышением его атомной массы. Механизм токсического действия складывается из местного и резорбтив-ного эффектов. Местное действие проявляется в деструкции ткани и зависит от способности соединений металлов к диссоциации. В основе резорбтивного действия лежит блокирование функционально активных групп ферментов-белков и структурных белков. Наибольшее значение имеет блокирование сульфгидрильных групп, обеспечивающих биологическую активность более 50% белков-ферментов. Разрушается структура клеточных оболочек, что приводит к выходу из клетки калия и проникновению в нее натрия и воды. Соединения тяжелых металлов избирательно токсичны для специфического эпителия почек, печени, кишечника, эритроцитов и нервных клеток, где наблюдается повышенная концентрация этих веществ. Поэтому нефропатия, гепатопатия, выраженная неврологическая симптоматика и гемолиз часто преобладают в клинической картине при воздействии тяжелых металлов [17, 140, 189, 209, 239, 247, 259, 267 ]. В организме животных при использовании в пищу кормов, загрязненными несколькими металлами, может наблюдаться комбинированное действие тяжелых металлов. В современной литературе имеются две точки зрения на этот вопрос. Первая - совместное действие тяжелых металлов можно объяснить синергизмом или антагонизмом. Другая точка зрения - комбинированное действие химических веществ сводится к простой суммации. Легкость усвоения и накопления кадмия кормовыми растениями способствует повышению его концентрации в организме животных и человека. Поэтому необходимо следить за миграцией этого металла в системе почва-растение-животное-человек. В литературе практически отсутствуют сведения об участии кадмия в нормальных процессах метаболизма. В работе [272] имеются данные, что недостаток этого элемента может привести к снижению роста и нарушению воспроизводства у животных. Однако факт большой токсичности кадмия остается общепризнанным [17,45,259,267]. Соли кадмия, попавшие в организм животного или человека, вызывают воспаление почек, жировое перерождение печени и сердца, кишечные кровотечения [63, 175].этого металла вступают в соединения с карбоксильными, аминными и сульфгидрильными группами, имеющимися в молекулах белков и таким путем задерживаются в организме. Кадмий является кумулятивным ядом, он может аккумулироваться и оставаться годами в печени, почках, селезенке и поджелудочной железе. При этом нарушается белковый, фосфорно-кальциевый и другие виды обмена [209, 247, 259, 267]. Содержание кадмия в крови и моче свыше 0,02 мг/ л служит доказательством его поступления в токсических дозах. Повышенные дозы соединений кадмия инактивируют цинксодержащие ферменты и ухудшают усвоение цинка из корма [45]. Накопление кадмия в организме зависит не только от потребления кад-мийсодержащих продуктов, но и от качества диеты. В частности, недостаточность железа может усилить аккумуляцию кадмия. Большие дозы витаминов Д и С , различные антидоты действуют как противоядие при отравлении кадмием [17, 84, 247]. Также на токсичность этого элемента влияет содержание кальция, цинка, меди, селена.
По вопросу о токсичности соединений никеля при их поступлении в организм через желудочно-кишечный тракт имеются противоречивые данные. Так, в работе [273] указано, что проблема загрязнения пищевой цепи никелем не является столь острой как проблема, связанная с кадмием, т. к. только 3-10% введенного с растительной пищей никеля всасывается в организме. Более того, этот металл относят к биологически активным элементам, которые стимулируют определенные функции [46]. Однако то обстоятельство, что соединения никеля отнесены к веществам первого и второго класса опасности, говорит о значительной токсичности этих соединений.
Баланс химических элементов и микробиологическое состояние лугово-черноземной почвы при применении кадмия, никеля, цинка
Как указывалось выше, внесение цинка несущественно изменяет мобильность таких тяжелых металлов, как кадмий, никель, свинец. Наши исследования о влиянии одних элементов, входящих в группу тяжелых металлов, на содержание других тяжелых металлов в почве, позволяют сделать вывод о том, что нужно принимать во внимание соотношения между отдельными химическими элементами, отсюда и их общую нагрузку на почву, особенно при установлении допустимых пределов, на что и указывает ряд авторов [8,60,71,89, 102, 104, 191].
На основе знаний исходного содержания тяжелых металлов в почве, общей добавки по каждому элементу в почву, относительные количества взаимодействующих между собой элементов, других агрохимических характеристик почвы, можно вычислить содержание тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий. Разные почвы имеют и неодинаковую «сопротивляемость» к загрязнению тяжелыми металлами [33, 95, 102, 246].
Наши исследования были проведены на лугово-черноземной почве с рН водной вытяжки 6,5-7,0, суммой поглощенных оснований 31-38 мг-экв/100 г почвы, сравнительно высоким содержанием органического вещества, общей поглотительной способностью. Обычно «сопротивляемость» данной почвы к металлам-загрязнителям в несколько раз выше, чем у легкой песчаной кислой почвы. По мнению ряда исследователей [8, 102, 104, 246] суглинистые нейтральные почвы могут накапливать большие количества микроэлементов в меньшей степенью риска для среды. Однако общая химическая неустойчивость таких почв приводит к пониженной биологической активности, снижению или повышению рН и в последующем - к деградации органоминеральных комплексов, снижению активности почвенных микроорганизмов, ферментов [2, 46, 48, 104, 121, 124].
Так, нами было установлено, что при увеличении содержания цинка в почве свыше 103, никеля - свыше 12,5 , кадмия - свыше 25-50 мг/кг почвы резко снижается процесс нитрификации. Через две недели после начала проведения опытов содержание нитратов в почве снижалось: по цинку - в 8,44 раза, по никелю - в 8,96 раз и кадмию - в 6 раз (концентрация в почве элементов достигала 3200 мг/кг почвы). Даже при увеличении концентрации данных элементов в почве в 2 раза по сравнению с ориентировочными оптимальными уровнями тяжелых металлов в почве (см. выше ) количество нитратного азота снижалось от цинка в 1,7, никеля - в 1,32 и кадмия - в 1,5 раза. Таким образом, общая химическая нагрузка на почву приводит к понижению биологической активности -процессу нитрификации.
Однако, количество микроорганизмов, мобилизующих трехкальцийфос-фаты увеличивается в почве при внесении цинка и никеля соответственно в 2,35 и 1,3 раза и снижается в 1,39 раз на варианте с внесением кадмия в почве к периоду уборки свеклы по сравнению с фоном (N45P9o)- При совместном применении минеральных удобрений и цинка, никеля, кадмия (по отдельности) количество микроорганизмов, мобилизующих трехкальцийфосфаты возрастает, соответственно, в 4,0, 2,2, 1,2 раза.
Загрязнение окультуренных почв, по мнению многих исследователей, стало сейчас сравнительно обычным явлением и, вероятно, будет продолжатся [4, 8, 41, 102, 166, 168, 204, 253, 254]. Сохранение плодородия почв, зараженных токсикантами, является в настоящее время большой хозяйственной проблемой, для сохранения и восстановления почвы надо как можно более детально знать ее индивидуальные свойства и факторы, приведшие к ухудшению ее качества [104]. Многие авторы [284, 287, 285] указывают, что заражение почвы тяжелыми металлами имеет обычно весьма устойчивый характер, поэтому нужно иметь ввиду, что загрязненные почвы - особенно микроэлементами - могут быть накопителями этих веществ, следствием чего и является деградация биологических и химических свойств почвы.
Действие тяжелых металлов зависит от их концентрации в среде обитания. Благоприятная для растений концентрация имеет широкий диапазон: от малого дефицита до умеренного избытка. В первом случае оптимум в питании достигается за счет более экономичного использования поглощенного элемента, во втором - в результате работы защитных механизмов растения, ограничивающих поступление ионов в метаболически важные центры [102].
Проникая в избытке в растительные организмы, тяжелые металлы подавляют ход метаболических процессов, тормозят развитие, снижают продуктивность. Данное утверждение доказано работами многих авторов [3, 8, 16, 18, 41, 59, 81, 88, 102, 142, 230, 257]. Однако в литературе довольно мало сведений о влиянии тяжелых металлов на прорастание семян, хотя между интенсивностью начального роста и продуктивностью растений существует прямая зависимость [34].
В связи с этим, для полной оценки влияния тяжелых металлов на растительный организм в 1998-1999 годах нами проведены лабораторные исследования по определению воздействия различных концентраций кадмия, никеля, цинка на всхожесть, энергию прорастания, интенсивность начального роста семян. При определении интенсивности начального роста использовали такие показатели, как длина корней и ростков. Результаты исследований представлены в приложении Б .
Действие тяжелых металлов на прорастание семян по разному проявилось на свекле и моркови. В таблице 4.1 показано изменение числа проросших семян, длины ростка и корешка свеклы по сравнению с контролем при воздействии кадмия, никеля, цинка различной концентрации.
При применении кадмия с концентрацией 0,005%) практически не происходит изменения числа проросших семян по сравнению с контролем. Кадмий в концентрации 0,01%) оказывает небольшое положительное действие. С увеличением концентрации данного металла снижается количество проросших семян.
Наибольшее положительное влияние на прорастание семян столовой свеклы оказывал никель с концентрацией 0,01% - количество проросших семян увеличилось в среднем на 19,9% по сравнению с контролем. С увеличением содержания никеля в питательной среде количество проросших семян снижается. При концентрации никеля в питательной среде, равной 0,02%) этот показатель снижается в среднем на 36,3% по сравнению с контролем. Применение цинка в концентрации от 0,005% до 0,02% способствовало уменьшению количества проросших семян свеклы по сравнению с контролем.
Отношения между макроэлементами и тяжелыми металлами в растениях столовой свеклы и моркови
Большое значение имеют исследования, направленные на установление взаимозависимости поступления макроэлементов и тяжелых металлов, выявление ионов-антагонистов, которые могут снизить поступление тяжелых металлов и этим самым токсическое действие последних. Следует отметить, что таких работ мало и в них, за редким исключением, обсуждается только направленность взаимодействия пар ионов .
В таблице 5.4 представлены зависимости между содержанием валового азота (%) и тяжелых металлов (мг/кг сухого вещества) в корнеплодах в уборку. Валовое содержание макроэлементов представлено в приложении И .
Как видно из таблицы 5.4, наблюдается прямая зависимость между содержанием азота и кадмия, никеля, меди в корнеплодах свеклы (уравнения 116, 117, 119). Возрастание поступления цинка и свинца в корнеплодах наблюдается при увеличении содержания азота до 1,38 %. При дальнейшем увеличении содержания этого макроэлемента отношения N-Zn и N-Pb носят антагонистический характер. В корнеплодах моркови наблюдается явление синергизма в парах N-Cd, N-Zn, N-Cu и N-Pb (уравнения 121, 123, 124, 125), при взаимодействии N-Ni явление синергизма отмечено при увеличении концентрации азота в корнеплодах до 0,92%, при дальнейшем увеличении концентрации азота содержание никеля снижается (уравнение 122). Отношения между содержанием фосфора (%) и тяжелых металлов (мг/кг сухого вещества) в корнеплодах представлено в таблице 5.5. При взаимодействии P-Cd, P-Ni, P-Cu в корнеплодах столовой свеклы в период физиологической зрелости растения установлены антагонистические отношения (уравнения 126, 127, 128). Не выявлена зависимость между содержанием фосфора и такими тяжелыми металлами как цинк, свинец в растениях, хотя из литературных источников известен антагонистический характер таких взаимоотношений. В корнеплодах моркови наблюдается прямая зависимость между содержанием фосфора и содержанием кадмия, цинка, меди, свинца (уравнения 129, 131, 132, 133); выявлена обратная зависимость между содержанием фосфора и никеля (уравнения 130). Взаимоотношения между калием в растениях свеклы и моркови (корнеплоды) и содержанием кадмия, никеля, цинка, меди, свинца представлены в таблице 5.6. Зависимость между содержанием калия и кадмием, никелем, медью представлена квадратичными уравнениями: 134, 135, 136. Возрастание содержание этих тяжелых металлов наблюдается с увеличением содержания калия до 2,12 %, в дальнейшем характер взаимоотношений K-Cd, K-Ni, K-Cu носит антагонистический характер. Между содержанием в корнеплодах свеклы калия и свинца наблюдается явление антагонизма. Не выявлена четкая зависимость между содержанием калия и цинка. В корнеплодах моркови наблюдается явление синергизма при взаимодействии K-Cu, К-РЬ. Не выявлена зависимость между содержанием в корнеплодах моркови отдельных пар ионов: K-Cd, K-Ni, K-Zn. Таким образом, увеличение содержания азота способствует повышению поступления тяжелых металлов как в корнеплоды свеклы, так и моркови. Для поступления цинка и свинца в корнеплоды свеклы оптимальным является содержание азота 1,4 %. Применение фосфора способствует снижению содержания кадмия, меди в корнеплодах свеклы и никеля в корнеплодах моркови. Увеличение содержания фосфора способствует повышению концентрации кадмия, цинка, меди, свинца в корнеплодах моркови. Повышение содержания калия снижает поступление свинца в корнеплоды свеклы и увеличивает поступление меди и свинца в корнеплоды моркови. Для поступления кадмия, никеля, меди в корнеплоды свеклы наиболее оптимальным является содержание калия 2,1%. В заключение следует отметить, что поступление элементов питания происходит не изолированно друг от друга, а в определенной взаимосвязи. Степень такого взаимовлияния зависит отряда факторов: от избытка или недостатка и физиологической значимости элемента, от вида, фазы развития и продуктивности культуры. В связи с этим, отмечает автор [76] надо хорошо представлять сложные взаимосвязи в системе почва-растение-удобрение, чтобы в полной мере учитывать объективные законы земледелия - минимума, возврата, максимума и оптимума.
По выносу элементов питания корнеплоды занимают одно из первых мест. Известно, что для формирования одной тонны корнеплодов и соответствующего количества надземной массы свекла расходует 4 кг азота, 1,6 кг фосфора, 6,5 кг калия; морковь расходует 3 кг азота, 1,2 кг фосфора, 5 кг калия. Вынос элементов питания может изменяться в довольно широких пределах, что связано с сортовыми особенностями культуры, почвенно-климатическими условиями и т.д. [5]. Однако до сих пор остается мало изученным вопрос о выносе микроэлементов, в том числе тяжелых металлов корнеплодами свеклы и моркови в связи с особенностями условий минерального питания.
Влияние кадмия, никеля, цинка на накопление тяжелых металлов в корнеплодах столовой свеклы и моркови
Питательная ценность большинства корнеплодов определяется, главным образом, содержанием Сахаров. Количественный и качественный состав различных корнеплодов может существенно отличаться. Так, общее содержание Сахаров в столовой свекле может колебаться от 3 до 13% (в среднем 7%). В столовой свекле основным сахаром является сахароза, а содержание моносахаридов составляет 0,3-1,3% массы корня. В корнеплодах моркови довольно много моносахаридов и сравнительно мало сахарозы. Количество моносахаридов составляет в моркови 30-50% суммы Сахаров т. е. до 3-4% массы корня.
Сахар распределен в корнеплодах столовой свеклы неравномерно. В хвостовой части и особенно в головке корня содержание сахара значительно более низкое, чем в центральной части. Максимальное количество сахара накапливается несколько ниже наиболее широкой части корня, между периферией и центральной зоной. В корнях моркови наибольшее количество Сахаров находится в наружном и среднем слоях мякоти, а в центральной части (сердцевине) самое низкое их количество [43,195].
Имеющиеся в литературе данные неоднозначны в оценке влияния на биосинтез Сахаров того или иного элемента, поскольку сахаронакопление зависит от сочетания и напряженности гидрометеорологических и химико-биологических факторов [2, 5, 139, 152, 192, 195]. Устранение возможного негативного влияния какого-либо элемента возможно лишь при сбалансированном питании. Следует отметить, что один и тот же элемент может оказывать различное действие на образование Сахаров. Среди микроэлементов, влияющих на сахаронакопление, в литературе наиболее часто отмечают цинк и марганец, положительное действие которых связано с участием в ферментативных реакциях углеводного обмена в качестве кофермента [39, 184, 251, 266].
Сведений по влиянию других микроэлементов, в частности, тяжелых металлов мало, и, в основном, указывается негативное влияние их на процессы сахаронакопления. Так, в работе [16] показано, что избыточное поступление в почву кадмия, свинца, меди, цинка снижает содержание растворимых Сахаров в биомассе клевера. Негативное влияние тяжелых металлов на накопление Сахаров объясняется их инактивирующим действием на ферменты, участвующие в углеводном обмене. Таким образом, роль некоторых микроэлементов в биосинтезе Сахаров неоднозначна. Так, цинк при оптимальных концентрациях необходим для участия в процессе обмена углеводов, при его избытке возникает угнетение синтеза сахара.
Наши исследования, представленные в таблице 6.1, показали, что внесение кадмия существенно не повлияло на количество общего сахара в корнеплодах свеклы и моркови, применение никеля способствует небольшому повышению содержания сахара в свекле и моркови в среднем, соответственно на 7,4 и 7,1% по сравнению с корнеплодами, возделываемыми на фоновом варианте. Внесение цинка повышало количество общего сахара в корнеплодах свеклы в среднем на 10,4%, в моркови - 5,9%) по сравнению с фоном.
Известно, что существует прямая зависимость между содержанием сухого вещества и Сахаров в растениях [139]. Наши исследования по влиянию кадмия, никеля, цинка на эти показатели позволяют сделать определенные выводы, что внесение никеля и цинка в дозах соответственно 22 кг/га и 36 кг/га способствует стимулированию процессов биосинтеза сухого вещества и Сахаров в корнеплодах моркови и свеклы к периоду уборки. Положительное действие цинка вполне объяснимо и доказано (см. выше). Наши исследования показали, что применение цинка в дозе 36 кг/га на лугово-черноземной почве Омской области не угнетает данные процессы. Отрицательного действия никеля на процессы ассимиляции Сахаров в растительных организмах свеклы и моркови при определенном диапазоне концентраций не обнаружено. Повышение содержания сухого вещества и Сахаров при внесении никеля и цинка является еще одной из причин увеличения урожайности на данных вариантах.
В последнее время особую остроту приобрела проблема избыточного накопления нитратов в растениеводческой продукции. Нитраты являются одним из главных источников азотного питания растений. В растительном организме они восстанавливаются и затем, проходя ряд превращений, включаются в состав белков, нуклеиновых кислот и других, необходимых для жизнедеятельности растения веществ. В случае избыточного поступления или по другим причинам нитраты не успевают усваиваться и накапливаются в растениях в значительных количествах, не причиняя им вреда. Уровень накопления нитратов, не использованных в биосинтезе органических соединений растительной продукции, характеризует ее токсиколого-гигиеническое качество и пригодность в пищу [66, 196, 206, 207].
Попадая с растительной продукцией в организм человека, нитраты восстанавливаются до нитритов, которые приводят к образованию метгемоглобина и нарушению транспортной функции крови, а также угнетению нервной системы и процессов тканевого дыхания. При взаимодействии нитритов с другими азотсодержащими производными образуются различные нитрозосоединения, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами [66, 206, 207]. Такова традиционная точка зрения на поведение нитратов в организме человека и животных. Однако, существует и иное мнение по этому вопросу. Так, группа британских ученых установила, что нитраты не только не являются канцерогенами, но и полезны для здоровья. Согласно их исследованиям, нитраты, попадая в организм человека и животных, разлагаются в пищеварительной системе, выделяя в виде газа окись азота, вызывающую в желудке мощную антибактериальную реакцию.
Таким образом, нитратный азот - естественный компонент растительного и животного организма. Поэтому проблема состоит не в том, что нитраты попадают в организм человека с продуктами питания, а в том, чтобы их количество не превышало того, которое способно подорвать защитные резервы организма. В литературе приводятся различные предельно допустимые концентрации нитратов - до 300 мг NO з на 1 кг сырой массы ; 4.2 и 4.0 мг на 1 кг массы тела в сутки; 0,28% NO3 в сухом веществе и 6,8 мг% нитратного азота. Продовольственной и сельскохозяйственной комиссией ФАО установлена предельно допустимая концентрация потребления нитратов человеком в сутки, которая составляет 500 мг [139]. В настоящее время в нашей стране разработаны временные ПДК нитратов в растениеводческой продукции, согласно которым концентрация нитрат-иона для столовой свеклы не должна превышать 1400 мг/кг; для поздних сортов моркови -250, ранних - 400 мг/кг [207] .
