Биологическая миграция тяжелых металлов в системе почва-растения при использовании микробиологических удобрений и регуляторов роста рас

 МИНИСТРЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ 

     ЕСТЕСТВЕННО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

     КАФЕДРА ХИМИИ 

     Биологическая миграция тяжелых металлов в системе почва-растения при использовании микробиологических удобрений и регуляторов роста растений

     (реферат) 
 
 
 
 

Выполнила: студентка 5 курса

Горбачева А.С.

Подпись_______________

Научный руководитель:

к. г. – м. н., доцент каф. химии

Подпись_______________ 
 
 
 
 

БЛАГОВЕЩЕНСК 2008 

Содержание

  Введение………………………………………………………………………… 3

1. Микроэлементы в жизни растений………………………………………..4
2. Миграция тяжелых металлов. Виды миграции………….…………….11
3. Почвы и процессы в них ………………………………………………….16
1. Общая характеристика почв ………………………………………….16
2. Микроэлементный состав почвы …………………………………….19
4. Использование удобрений и регуляторов роста в земледелии ………25
1. Ризосферная микрофлора и ее роль в жизни растений …………….25
2. Микробиологические удобрения …………………………………….29
3. Стимуляторы роста …………………………………………………...33

Список  использованной литературы ……………………………………….36

Введение

       В настоящее время в сельском хозяйстве использует большой перечень средств защиты растений от болезней, насекомых и разнообразных воздействий среды, а также повышения урожайности с/х культур. Большинство из них искусственного происхождения и не разрушаются ни ферментативными системами растений, ни физическими или химическими воздействиями. Это приводит к их накоплению в собираемом урожае, а значит в организме людей и животных. Поэтому в настоящее время в мире существует острая необходимость создания  препаратов, позволяющих получать экологически чистые продукты питания.

     Перспективными  для Приамурья являются микробиологические удобрения и стимуляторы роста, в том числе Экстрасола и Лариксина.

     Микроорганизмы  продуцируют органическое вещество почвы и ряд ферментов, это помогает усваивать ранее не доступные для растений вещества. Кроме того, микроорганизмы выделяют витамины, регуляторы роста, антибиотики, оказывающие существенное влияние на развитие растений, также влияют на миграцию ТМ в системе почва - растения и на их перераспределение в вегетативных и генеративных органах растений. Поэтому использование микробиологических препаратов и регуляторов роста в растениеводстве является перспективным направлением на пути повышения урожайности сельскохозяйственных культур. 

• Микроэлементы в  жизни растений

      Существенное  значение в питании растений, формировании урожая и его качества имеют бор, марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, йод, свинец, никель и др. Содержание большинства этих элементов в растениях колеблется от тысячных до стотысячных долей процента. Поэтому они получили название микроэлементы (Минеев В.Г., 2004). Термин «микроэлементы» был введен Вернадским в 1993 году, под ним понимается химические элементы, содержащиеся в тканях в ничтожно малых количествах (10^-3 %) и вместе с тем отличается высокой биологической активностью (Ковда В.А., 1973).

      Микроэлементы принимают участие во многих физиологических  и биохимических процессах у растений. Они - обязательная составная часть во многих ферментов, витаминов, ростовых веществ, играющих роль биологических ускорителей и регуляторов сложнейших биохимических процессов (таб. 1) (Пейве Я.В., 1961).

      Таблица 1.1

      Участие микроэлементов в  ферментативных реакциях

      Микроэлементы ускоряют развитие растений, процессы оплодотворения и плодообразования, синтез и передвижение углеводов, белковый и жировой обмен веществ и т.д. Поэтому необходимо внимательно изучать потребность растений в каждом микроэлементе и оптимально ее удовлетворять (Минеев В.Г., 2004).

      Для экзогенных, повышенных концентрацией  элементов термин «микроэлементы»  не пригоден. В таких случаях применяют  термин «тяжелые металлы» (Богдановский Г.А., 1994).

      Проблема  поступления металлов в растения имеет два практических аспекта. Во-первых, растения являются промежуточным резервуаром, через который металлы переходят из воды, воздуха и главным образом почвы в организмы человека и животных, в связи, с чем необходима разработка методов защиты пищевых цепей от проникновения токсикантов в опасных концентрациях. Во-вторых, доказана токсичность тяжелых металлов для самих растений, что ставит ряд вопросов о реакции растений на избыток тяжелых металлов в среде (Большаков В.А., 1993).

      По  мнению многих авторов, доступность тяжелых металлов растениям в первую очередь определяется щелочно-кислотыми условиями почв. С увеличением кислотности повышается содержание большинства металлов в почве, а, следовательно, и в растениях. Растения захватывают растворимые соединения и отлагают их в местах наиболее сильного испарения, главным образом в листьях (Ильин В.Б., 1991).

     По  мере роста растений элементы перераспределяются по их органам. При этом для меди и цинка устанавливается следующая  закономерность в их содержанию: корни > зерно > солома. Для свинца, кадмия и стронция она имеет другой вид: корни > солома > зерно.

      Преимущественное  накопление металлов в корнях объясняется  тем, что при проникновении в  плазму происходят инактивация и  депонирование значительных количеств ТМ, видимо, в результате образования малоподвижных соединений с органическими веществами (Большаков В.А., 1993).

      Содержание  микроэлементов в растениях очень  динамично. Во-первых, их концентрация в ежегодно образующихся и отмирающих органах возрастает на протяжении вегетационного периода (Добровольский В.В., 1983). Одной из причин этого является неспособность потока элементов поступающих из почвы в растения, равномерно, в течение всей вегетации насыщать металлами прирост биомассы, который к середине лета достигает максимума, и хотя темп их поступления более или менее равномерен, возникает так называемый «эффект разбавления» (Большаков В.А., 1993).  Во-вторых, большое влияние оказывают дожди, активно смывающие рассеянные элементы с листьев, хвои, молодых побегов. После сильного дождя концентрация микроэлементов в листьях может уменьшиться в несколько раз (Добровольский В.В., 1983).

      Ковалевский (1975) доказал, что в одних растениях (точнее, в определенных органах и тканях) концентрация микроэлементов может возрастать очень сильно, без каких либо определенных пределов. При этом накопление элемента в начале стимулирует жизнедеятельность растения и его продуктивность, затем угнетает и, в конце концов, вызывает его гибель. В других растениях при достижении определенного уровня концентрации элемента начинают действовать механизмы, препятствующие дальнейшему его поглощении. Эти предельные уровни названы физиологическими барьерами поглощения: барьерный и безбарьерный типы поглощения. Ограниченное поглощение, по-видимому, характерно преимущественно для зеленых опадающих частей и репродуктивных органов. А отсутствие ограничения - для корней, узлов стеблей злаков, коры и иногда древесины стволов деревьев. Растения имеют три  защитных «барьера» против поступления тяжелых металлов: на границах почва - корень, корень - стебель, стебель - репродуктивные органы (Школьник М.Я., 1974).

      От  одинаковой дозы тяжелого металла в  наименьшей степени страдает высота растения, в наибольшей - урожай зерна, т.е. избыток тяжелого металла сильнее депрессирует репродуктивную фазу развития растений. Особенно это относится к Cd, который не подавляет вегетативную фазу развития, не препятствует пышному цветению растений, но затем каким-то образом сильно угнетет процесс формирования и роста плодов и семян (Ильин В.И., 1991).

      Цинк - жизненно необходимый элемент, для растений. В среднем в растениях обнаруживается 0,0003% цинка (Войнар А.И., 1960).

     Он  входит в состав целого ряда ферментов, играет важную роль в синтезе нуклеиновых кислот - ДНК и РНК (Богдановский Г.А., 1994). Он принимает участие в белковом, липоидном, углеводном, фосфорном обмене веществ, в биосинтезе витаминов (аскорбиновой кислоты и тиамина) и ростовых веществ - ауксинов. Цинк улучшает водоудерживающую способность растений, повышает количество прочно связанной воды (Минеев В.Г., 2004).

      Под влиянием цинка происходит увеличение содержания витамина C, 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. (Войнар А.И., 1960).

      Недостаток  цинка приводит к нарушению обмена веществ у растений. Цинковое голодание  нарушает также углеводный обмен  у растений: задерживается образование  сахарозы и крахмала, больше накапливается редуцирующих сахаров. При резком недостатке цинка нарушается процесс образования хлорофилла, в результате чего проявляется пятнистый хлороз, позже пятно приобретают красновато-бронзовую окраску (Минеев В.Г., 2004).

      К недостатку цинка очень чувствительны плодовые культуры, особенно цитрусовые, а также кукуруза, соя, фасоль, гречиха, свекла, хмель, картофель, клевер луговой. (Ягодин Б.А., 2002).

      Дефицит цинка чаще всего проявляется на песчаных карбонатных почвах и богатых кальцием болотных почвах. Снижение подвижности цинка на карбонатных почвах объяснятся связыванием его известью в нерастворимые цинкаты кальция. Кроме того, кальций задерживает поступление цинка в растения, так как эти катионы являются антагонистами. Подкисление почвы обычно сопровождается увеличением содержания в почве подвижного цинка. На усвояемость цинка отрицательно влияют и фосфаты почвы, которые могут образовывать с ним труднорастворимые соединения (Минеев В.Г., 2004).

      Медь - весьма нужный микроэлемент для развития растений (Ермоленко Н.Ф., 1956). Медь выполняет следующие биохимические функции (Кабата-Пендиас А., 1989):

• Cu присутствует в основном в комплексных соединениях с низкомолекулярными органическими веществами и протеинами.
• Cu присутствует как в составе энзимов, имеющих жизненно важные функции для метаболизма растений, так и в веществах с неизвестными функциями.
• Cu играет значительную роль в некоторых физиологических процессах - фотосинтезе, перераспределении углеводов, восстановлении и фиксации азота, метаболизме протеинов и клеточных стенок.
• Cu влияет на проницаемость сосудов ксилемы для воды и таким образом контролирует баланс влаги.
• Cu контролирует образование ДНК и РНК, и ее дефецит заметно тормозит репродуцирование растений (уменьшает образование зерен, приводит к стерильности спор).
• Cu оказывает влияние на механизмы, определяющие устойчивость к заболеваниям.

      При нехватке меди у растений, выращенных на торфяных почвах, задерживается  рост и развитие, снижается урожай, и они могут даже погибнуть.

      Недостаток  меди сильнее всего влияет на формирование генеративных органов. Не все растения одинаково чувствительны к недостатку меди (Ермоленко Н.Ф., 1966). В большей степени недостаток меди отражается на  овсе, ячмене, пшенице. Менее чувствительны - бобовые, картофель, свекла и другие овощные культуры (Мусина С.А., 2002).

      Свинец. Хотя в природе Pb присутствует во всех растениях, выявить какую-либо особую его роль в метаболизме не удалось. Несмотря на плохую растворимость Pb в почве, он поглощается корневыми волосками и задерживается в стенках клеток (Кабата-Пендиас А., 1989). Но как правило, корне- и клубнеплоды не накапливают свинец в съедобных частях, но возможны и исключения: в плодах вишнеплодных томатов накапливается свинца 0,15 - 19 мг/кг, а в съедобных органах репчатого лука и свеклы  - до 21,7 мг/кг (Соловьев Г.А., 1978).

      Наряду  с негативными эффектами отмечается положительное действие небольших  доз свинца. Так, внесение в почву Pb из расчета 3 кг/га повышало урожай моркови, капусты, лука и огурцов. Причины положительного действия малых количеств свинца на растения недостаточно хорошо изучены. Можно предполагать, что этот эффект не является прямым действием свинца. Стимулирующее влияние обусловлено нитрат - ионами, если в почву вносить нитрат свинца. Это влияние может быть связано также с тем, что свинец вытесняет некоторое количество макро- и микроэлементов из почвенного поглощающего комплекса и, в конечном счете, увеличивает их поступление в растения. Данное положение подтверждается следующими результатами: применение свинца стимулировало поступление в вегетативные органы яблони калия, хрома, бария, меди, никеля и бора и положительно сказывалось на величине урожая плодов (Минеев В.Г., 1982). 

      Среди ТМ кадмий - приоритетный загрязнитель и один из самых опасных экотоксикантов: он проявляет сильно выраженные токсичные свойства в очень низких концентрациях.

        Высокая фитотоксичность кадмия  объясняется его близостью по  химическим свойствам к цинку.  Поэтому кадмий может выступать  в роли цинка во многих биохимических  процессах, нарушая работу различных ферментов. Замещение цинка кадмием в растительном организме приводит к цинковой недостаточности, что в свою очередь вызывает угнетение и гибель растения (Алексеев Ю.В., 1967).

      По  чувствительности к кадмию растения можно расположить в следующий восходящий ряд: томаты < овес < салат < морковь < редька < фасоль (Алексеев Ю.В., 1967).

      Антагонизм и синергизм микроэлементов. Различные соотношения и концентрации микроэлементов в питательной среде оказывают существенное физиологическое воздействие на растения и микроорганизмы. При этом может происходить как синергизм (явление, когда в питательной смеси микроэлементов действие одного из них усиливает действие другого), так и антагонизм (явление взаимного угнетения, торможения или снижения эффективности совместного применения нескольких микроэлементов по сравнению с действием этих же элементов, взятых в отдельности). Синергизм и антагонизм микроэлементов зависят от вида растений, почвенно-климатических условий, форм и запасов микроэлементов в почвах.

      Антагонистические взаимоотношения между Zn и Cu проявляются  в торможении поглощения одного элемента другим, что может указывать на участие в поглощении обоих элементов  одних и тех же носителей. Антогонизм Zn и Pb выражается во взаимно неблагоприятном воздействии на перенос обоих элементов из корней в надземные части (Кабата - Пендиас А., 1989).

      Явление синергизма в ряде случаев наблюдается  между бором и марганцем, когда  оба эти микроэлемента повышают скорость обмена веществ и урожай сельскохозяйственных культур. Молибден способствует поступлению фосфора, кальция и магния в растения (Пейве Я.В., 1961).

     Результаты изучения взаимодействия Zn - Cd  представляются дискуссионными, поскольку есть данные как об антагонизме, так и о синергизме между этими двумя элементами в процессах поглощения и переноса. Наличие синергизма или антагонизма между этими катионами контролируется отношением Cd к Zn в среде обитания растения.

     Федорова (2005) отмечает, что в присутствии  цинка наблюдается ослабление поглощения кадмия корнями и листьями растений.

     Китагиси  и Ямане объясняют наблюдавшийся  синергизм в рисе с точки зрения конкуренции Zn и Cd  за позиции в соединениях, что ведет к повышенной растворимости кадмия и переносу его из корней в надземную часть растения.  Можно полагать, что наличие синергизма или антагонизма между этими катионами контролируется отношением Zn к Cd в среде обитания растения.

      Часто наблюдается взаимодействие Cu и Zn. Механизм поглощения этих металлов, вероятно, один и тот же, и каждый из них может вследствие взаимной конкуренции ингибировать поглощение другого корневой системой (Кабата-Пендиас А., 1989).

      Взаимодействие Cu - Cd при поступлении этих элементов в корневую систему, по сообщениям многих авторов, бывает как антагонистическим, так и синергетическим. Синергизм может быть вторичным эффектом повреждения мембран, вызванного несбалансированным соотношением этих элементов.

      По  вопросу о взаимодействии Pb с  другими микроэлементами данные имеются только для Zn и Cd. Стимулирующее действие Pb на поглощение Cd корнями растений может быть вторичным эффектом, связанным с нарушением переноса ионов через мембраны (Кабата-Пендиас А., 1989).

      Степень выраженности и направленности явлений  синергизма и антагонизма с возрастом  растений изменяется, поскольку изменяется потребность растений и обмен веществ в клетках. Эти явления еще не достаточно хорошо изучены (Пейве Я.В., 1961). 

2. Миграция тяжелых металлов. Виды миграции

      Геохимическая миграция - это неразрывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению  химических элементов в природных  телах. Этот комплекс включает перевод  химических элементов в структурное  состояние, форму нахождения, обеспечивающих их подвижность в данных внешних условиях, транспортировку элементов в физических и химических градиентах природных тел (Сает Ю.Е., 1990).

      Термин  «миграция химических элементов» был  введен в геохимию  А.Е. Ферсманом  в 1923 году. Под термином «геохимическая миграция» А.Е. Ферсман подразумевал комплекс процессов, определяющих перемещение химических элементов в земной коре и ведущих обычно к их расселению или концентрации.

     Миграция  тяжелых металлов в почвах может  происходить с жидкостью и суспензией при помощи корней растений или почвенных микроорганизмов. Миграции растворимых соединений происходит вместе с почвенным раствором (диффузия) или путем перемещения самой жидкости. Вымывание глин и органического вещества приводит к миграции всех связанных с ними металлов. Миграция летучих веществ в газообразной форме, например, диметила ртути, носит случайный характер, и этот способ перемещения не имеет особого значения. Миграция в твердой фазе и проникновение в кристаллическую решетку являются больше механизмом связывания, чем перемещения.

     Тяжелые металлы могут быть внесены или  адсорбированы микроорганизмами, которые  в свою очередь, способны участвовать  в миграции соответствующих металлов.

     Дождевые  черви и другие организмы могут  содействовать миграции тяжелых металлов механическим или биологическим путями, перемешивая почву или включая металлы в свои ткани.

     Из  всех видов миграции самая важная - миграция в жидкой фазе, потому что большинство металлов попадает в почву в растворимом виде или в виде водной суспензии и фактически все взаимодействия между тяжелыми металлами и жидкими составными частями почвы происходит на границе жидкой и твердой фаз.

      А.И. Перельман (1989) выделил четыре основных вида миграции химических элементов: механическую, физико-химическую, биогенную, техногенную, связанную с социальными процессами. 

      Механическая  миграция (механогинез) обусловлена  работой рек, течений ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и  других факторов. Характерное явление  механогенеза - раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению степени их дисперсности, растворимости, развитию сорбции. При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц, а, следовательно, и их поверхностная энергия. Увеличивается и растворимость минералов, многие минералы при этом разлагаются.

      Физико-химическая миграция - это перемещение, перераспределение  химических элементов в земной коре и на ее поверхности. Она включает миграцию и сопровождающие ее химические реакции для таких форм нахождения химических элементов, как водные растворы, газовые смеси. К ней же отнесены диффузия, процессы радиоактивного распада, явление изоморфизма. (Перельман А.И., 1989).

      Биогенная миграция объединяет всю миграцию химических элементов, связанную с жизнедеятельностью организмов (растительных и животных). Между организмом и внешней средой существует неразрывное единство, которое определяется геохимической миграцией и биогенной миграцией вещества и энергии. Специфика его проявляется в адаптации и приспособляемости живых организмов к условиям геохимической среды, их морфологической изменчивости. Характер геохимической среды связан со степенью концентрации химических элементов организмами, массой живого вещества и его геохимической энергией, которая зависит от интенсивности биохимических процессов в организме, от механизмов абиотического и биотического круговорота вещества и энергии в биосфере (Лукашев К.И., 1984).

      Техногенная миграция химических элементов вызвана  деятельностью людей. Ее роль непрерывно возрастает, и во многом она контролирует поведение химических элементов в биосфере (Алексеенко В.А., 2000).

      В экологической геохимии особое внимание уделяется формам нахождения мигрирующих  элементов, так как часто от этого  зависит доступ химических элементов  организмам. Связывая перемещение химических элементов с формами их нахождения, В.А. Алексеенко (1977) выделяет три основных типа миграции.

      Первый  тип миграции представляет собой  изменения формы нахождения элементов  без их значительного перемещения, например переход элемента из минеральной формы в водные растворы.

      Второй  тип миграции представляет перемещение  элемента без изменения формы  его нахождения. Примерами такого типа миграции является перемещение  аэрозолей в атмосфере, обломков минералов в поверхностных водах  или элементов, находящихся в растворе, при движении поверхностных или подземных вод.

      Третий  тип миграции объединяет два предыдущих и состоит в перемещении элементов  с изменением форм их нахождения, например перемещение элементов в подземных  водах, растворяющих минералы на месторождениях, переход из минеральной формы нахождения в биогенную. Этот тип миграции является преобладающим в биосфере.

      Закономерности  геохимической миграции элементов  играют ведущую роль в формировании химического состава природных  образований всех геосфер земного шара. При этом различают внутренние факторы миграции, определяемые физическими и химическими свойствами атомов химических элементов, и внешние факторы, включающие термодинамическую и химическую обстановку среды миграции. 

      К числу внутренних факторов миграции относятся термические свойства атомов, гравитационные свойства атомов и ионов, а также химические и радиоактивные свойства атомов.

      К внешним фактором миграции относятся  температурный режим, давление, кислотно-основные условия среды, окислительно-восстановительные условия (Безуглова О.С., 2000).

      С повышением температуры увеличением  миграционная способность элементов, находящихся в растворах и  расплавах, повышается скорость химических реакций. Однако в отдельных случаях  усиление миграции происходит только в определенном температурном интервале. К числу подобных явлений следует отнести в первую очередь биогенную миграцию (Алексеенко В.А., 2000).

      Атмосферное давление, как и температура, является фактором, косвенно влияющим на миграцию. Уменьшение давления приводит к выделению газов, растворенных в подземных и поверхностных водах. Это сказывается на направлении скорости реакции. (Королев М.Е., 1973).

      В условиях низких значениях pH значительно  увеличивается растворимость и  миграционная способность металлов. Таким образом, аномально кислые воды помимо непосредственного отрицательного влияния на растительный и животный мир транспортируют в повышенном количестве многие металлы, неблагоприятно влияющие на развитие биосферы. Так, например, такие катионы, как Co⁺³, Cr⁺³, Bi⁺³, Sn⁺², Th⁺⁴, Zr⁺⁴, Sb⁺³, Sc⁺³, могут переноситься только в весьма кислых растворах и легко осаждаются при повышении их щелочности.

      Увеличение pH поверхностных водных растворов  должно вызывать осаждение гидроокисей  ряда металлов. Однако следует учитывать, что осаждение гидроокисей определяется зависящими от pH произведениями их растворимости, т.е. является функцией содержания конкретных элементов в поверхностном водном растворе (Беус А.А., 1976).

      Окислительно-восстановительные условия сильно влияют на миграцию элементов. Важнейшие окислители - O ₂, Fe³⁺, Mn⁴⁺, восстановители - S²⁺, Fe²⁺, H₂.

      Окислительная (кислородная) обстановка способствует накоплению катионогенных элементов  переменной валентности (Fe, Mn, Co) и увеличению растворимости анионогенных (V, Mo, Se, U, Re). Восстановительная обстановка сопровождается интенсивной миграцией соединений Fe, Mn, Co, Ni, Cu (Перельман А.И., 1989). 

      Таким образом, химические элементы в биосфере находятся в постоянном движении, которое и является их миграцией (Алексеенко В.А., 2000).