Ауыр метал иондарының кейбір өсімдіктердің жекеленген мүшелерінде таралу ерекшеліктері

А.А.Роденің концепцияларын дамытып Т.В.Аристовская құнарлылықтың негізгі үш көзін қалыптастырды: 1) минералдардағы қоректік заттардың босатылуымен бірге жүретін микроағзалардың тіршілігінің нәтижесінде топырақ түзетін компоненттердің қайта түзілуі; 2) топырақ түзу процесстеріне қатысу мен өсімдіктердің органикалық затының энергиясының басқа энергияға айналуы; 3) азоттың биологиялық фиксациясы [40].

Топырақтардың потенциалдық құнарлылылығының сақталуында бірқатар тиімді әдістердің ролі ерекше, олардың қатарына микробиологиялық про-цесстерге әсер ететін күшті фактор болып есептелетін ауыспалы егістегі да-қылдарды кезектестіру, тыңайтқыштар мен пестицидтер енгізу, топырақтарды өңдеу және мелиорациялау, нәтижесінде ауылшаруашылық өсімдіктерінің өнімділігін жоғарылататын жағдайлардың жақсаруы жатады.

Топырақта жүретін процесстердің нақты бейнесін көрсете отырып биологиялық белсенділік топырақ-өсімдік-микроағза-тыңайтқыштар күрделі жүйесіне байланысты өзгереді. Сондықтан топырақтардың жағдайын бағалау оның құнарлылылығының жоғары сезімтал және сенімді индикаторы болып табылатын бірқатар биохимиялық, биологиялық процесстердің көрсеткіштері бойынша жүргізіледі.

Топырақтардың биологиялық сипаттамасы химиялық, физикалық қасиеттеріне қарағанда топырақтың белсенділігі туралы көп мәлімет береді. Ауыр металдарды улы элементтермен қоса есептегенде Менделеев таблицасының 2/3-дей бөлігі кіреді. Олардың ішінде кадмий, қорғасын және сынап элементтері ең улы ауыр металл болып саналады.  1980 жылғы UNESCO-нің шешімі бойынша бұған тағы сегіз элемент (V, Co, Mn, Cu, Mo, Nі, Zn, Cr) және үш металлоид (As, Se, Sb) қосылған болатын. Сонан соң олардың қатары тағы екі металмен толықтырылды (Tі, Sr). Осы элементтер тірі ағзаларға улы әсері жағынан мынадай кластарға жіктелген [41].

 

Класс                                Элементтер

 

1                                       As, Cd, Hg, Pb, Se, Zn, Tі 

 2                                       Co, Nі, Mo, Cu, Sb, Cr

3                                       Ba, V, W,  Mn, Sr

 

Г. И. Оксенгендлер (1991) мәліметтері бойынша кадмий және қорғасын іс жүзінде барлық жерлерде таралған және олар улы әсер ету жағынан бірінші класқа жатқызылады. Бұл элементтердің қандай да мөлшері болмасын адам ағзасы үшін өте қауіпті және қалыпты мөлшерден жоғарылауы тірі ағзаларда зат алмасудың әртүрлі бұзылуына әкеледі.

Ауыр металдар арасында “улы” сөзінің түсінігі тек ауыр металдардың жеке түріне ғана қатысты емес, олардың ортадағы концентрациясына байланысты. Ауыр металдар арасында тапшы жағдайда өсімдік тіршілігі үшін өте қажетті микроэлемент, ал ортадағы концентрациясы жоғары болғанда улы ауыр металл болып есептелетін түрлері бар. Ауыр металдардың улы концентрация шегі өсімдік түріне жекелеген түрлердің төзімділігі мен химиялық элементтің өсімдік тіршілігінде алар орнына байланысты. Өсімдік тіршілігінде көп кездесетін кейбір химиялық элементерді Кабата-Пендиас, Пендиас Х. (1989) тапшы, қалыпты және жоғары болуына байланысты төмендегідей 1 кесте көрсеткіштермен  келтірген. Сонымен қатар ауыр металдардың қоректік ортадағы өсімдіктерге улы әсер ету концентрациясына байланысты төмендегідей қатарға жіктеген [42]:

1. Өте улы 1 мг/л-ден төмен концентрациясында Ag, Be, Hg, Sn, Cd, Nі, Pb;     

2. Орташа улы 1 мг/л-ден 100 мг/л аралықтағы концентрация As, Se, Al, Ba, Cо, Cu, Cr, Fе, Mn, Zn;

3. Улы әсері төмен 100 мг/л Ca, Mg, Sr Lі.

 

 

 

1 кесте.

Өсімдіктер тіршілігіне ауыр металдардың әсер ету концентрациясы (мг/кг құрғақ салмаққа шаққанда)

 

Элементтер	Тапшы	Қалыпты	Жоғары
Co	--	0,002-1	15-20
Cu	2-5	5-10	20-100
Mn	15-25	20-300	300-500
Ni	--	0,1-5	10-100
Pb	--	5-10	30-300
Ti	--	--	50-200
V	--	0,2-1,5	5-10
Zn	10-20	27-150	100-400
Cd	--	0,05-0,2	5-30

 

Ауыр металдардың басқа ластаушылардан мынандай ерекшеліктері бар:

-ауыр металдар арнайы ластаушы заттар тобына жатпайды, себебі бұл заттар арнайы ластағыштарға қарағанда (мысалы, пестицидтер мен бензапирен) биосферада қалыпты, экологиялық таза аймақтарда да кездеседі.

-ауыр металдарға “өзін-өзі” тазарту ұғымы қолданылмайды, яғни олар қоршаған ортада ыдырамайды. Олардың жартылай тазаруының алғашқы кезеңі (бастапқы концентрациясының жартысы) әр элемент үшін әртүрлі және ұзақ уақытты қажет етеді: мырыш 70-310 жылға дейін, мыс 310-1500 жыл, кадмий 13-110 жыл, қорғасын 740-5900 жылды қажет етеді. Бұл көрсеткіштер топырақ түріне, ортаның рН-на және тағы басқада қасиеттерге байланысты өзгеріп отырады [43].

 

1.2 Ауыр металдар, олардың  өсімдіктерге әсері және таралуы

Атмосфераға таралған ауыр металдарды өсімдіктер жапырағы арқылы қабылдаса, тамыр арқылы топырақтан сіңіреді. Ауадағы шаң  құрамындағы ауыр металдар өсімдік жапырағының эпидермисінің балауыз құрамына шөгіп, устьица немесе кутикула арқылы өсімдікке сіңірілсе, көп бөлігі жауын-шашын арқылы шайылып кетеді. Өсімдік жапырағы арқылы элементтердің сіңірілуі жапырақтың морфологиялық құрылысы және жапырақ бетінің функционалдық негізімен (балауыз қабатының қалыңдығы, тегістігі, жабысқақтығы) анықталады. Мысалы, шөптесін өсімдіктер мен ағаштардың жапырағы арқылы қорғасын және басқа элементтердің сіңірілуін зерттеген жұмыстар нәтижесі көрсеткендей, күрделі жалпақ жапырақтар ұсақ балауыз қабаты жұқа жай жапырақтармен салыстырғанда ауыр металл иондарын көп жинақтаған. Дегенмен, қорғасын элементінің басқа элементтермен (Zn, Cd, Cu, Fe) салыстырғанда өсімдіктердің жапырағымен өте аз сіңіріліп, оның басқа мүшелеріне нашар тасымалданатындығы анықталған [44].

Ауыр металдардың өсімдіктерге сіңірілуін тамыр мен жапырақ арасындағы қатынасын көптеген ғалымдар өз еңбектерінде қарастырған. Мысалы, неміс ғалымдары ауыр металдардың өсімдіктерге сіңірілуінің негізін анықтау үшін атмосфера қабатының әртүрлі ластанған аймақтардағы ағаштардың жекелеген мүшелеріне талдау жасаған. Зерттеу нәтижелерінің қорытындысы бойынша ауа қабаты көп ластанған аймақтағы өсімдік жапырағында ауыр металл концентрациясы жоғары болғанымен сабағында аз кездескен. Жапырақтағы ауыр металдардың көп бөлігі жапырақтың үстіңгі қабатында болғаны анықталған. Бұл мәліметтер өсімдіктер ауыр металдарды ассимиляциялаушы ұлпаларымен көп сіңірмейтіндігін, олардың өсімдікке негізгі түсу жолы тамыр арқылы екендігін аңғартады. Қосымша жүргізілген мәліметтерге қарағанда жауын-шашынға дейінгі және одан кейінгі жапырақтағы ауыр металдардың концентрациясы өзгеріп, тамырдағы мөлшері 1,5-2,5 есеге дейін артқан.

Ауыр металдардың тамыр арқылы өсімдіктерге сіңірілуі олардың топырақтағы жеңіл жылжитын формаларымен анықталады [45]. Ауыр металдардың топырақтағы жылжымалы формасы жоғары емес орташа 5-10%-дай, негізінен ауыр металдардың ортадағы концентрациясына және топырақтың қасиеттеріне байланысты (рН, қарашіріктің мөлшері т. б.) өзгеріп отырады. Кабата-Пендиас, Пендиас Х. 1989) ауыр металдардың өсімдік тамырымен сіңірілуінің бір-біріне тәуелсіз екі жолы активті (метаболиттік) және пассивті (метаболиттік емес) болатындығын болжап, тамырмен сіңірілуінің үш механизмін атап көрсетті:

1. Ризосфера арқылы;

2. Хелаттүзуші және басқа заттармен тасымалдануы;

3. Тамыр жүйесінің катион алмасуы арқылы;

Химиялық элементтердің тамырмен сіңірілуінде ортадағы концентрациясына байланысты өзара бақталастық (антагонистік және синергистік) қызметінің әсері бар. Мысалы, қоректік ортада Mn, Zn, Cu, Co, Nі жоғары болуы Fe элементінің сіңірілуін төмендетсе, өз кезегінде Fe элементінің жоғары болуы жоғарыдағы элементтердің азаюына әкеледі. Мырыш элементі мыспен, никель және кадмий элементтері мырыш, мыс элементтерімен бір-біріне антагонистер болып есептеледі [46].

Иондар антагонизмі макроэлементтер (Ca, Mg, K, P) мен ауыр металдар арасында да болуы мүмкін. Ауыр металл қорғасын ерімейтін фосфаттарды түзеді де фосфордың жетіспеушілігін тудырады. Топырақ типі, оның механикалық құрамы, органикалық заттар мөлшері, pH көрсеткіші және басқа элементтердің қатысуы, әсіресе Ca және P өсімдіктегі ауыр металдардың улылығын өзгертуі мүмкін. Ортаның химиялық заттармен ластануы биосфераның бұзылуының негізгі факторларының бірі болып табылады. Шығу тегі химиялық ластағыш - ауыр металдар ерекше экологиялық және денсаулық сақтау маңызы бар заттар болып табылады [47].

Жылықанды жануарлар, адам және биосфера үшін ең потенциалды қауіптілері: қорғасын, мышьяк, мыс, мырыш.  Биосфераның токсинді элементтермен ластану көздері, бұл: өнеркәсіп, автокөлік, топырақтарды мелиорациялауға арналған және өсімдіктерді қорғайтын химиялық заттар, минералды және органикалық тыңайтқыштар, өйткені тыңайтқыштармен (әсіресе фосфорлы және органикалық) улы химикаттар мен ауыр металдардың қоспалары келіп қосылады.

Бұл ластану тізбегінің алғашқы буыны ластағыштарды өзіне аккумуля-циялайтын топырақ, содан кейін өсімдіктер (азық-түліктік дақылдар), әрі қарай жануарлар, соңында, мал және өсімдік шаруашылығының өнімдері болып табылады.

Экологиялық тұрғыдан таза ауылшаруашылық өнімдерін алу үшін бұл тізбектің барлық буындарындағы жеке уытты заттардың мөлшерлерін қоректік тізбек бойынша миграциясын төмендету немесе олардың элиминациясын іске асыратын қорғаныс шараларын дайындау үшін, адам ағзасы мен жануарларға тигізетін уытты әсерлері мен өнімдердегі мөлшерін азайту мақсатында бақылап отыру керек [48].

Тағам өнімдерінің уытты заттармен ластануы азық-түлік шикізаттарын тағам өнімдеріне өңдеген кезде орын алуы мүмкін.

Бүкіләлемдік денсаулық ұйымы тағам кодексі бойынша келесі жеті эле-ментті: сынап, кадмий, қорғасын, мышьяк, мыс, стронций, темір - тағам өнімдерін халықаралық сату деңгейінде бақыланатын компоненттердің қатарына қосқан. ТМД елдерінде бұл қатарға тағы да алты элемент: сурьма, никель, хлор, алюминий, фтор, йод  қосылған .

C. C. Bіddoppa (1989) зерттеулерінде кокос  пальмасын таза құмда өсіріп, оны белгілі уақытта ауыр металдар  ерітінділерімен (Cd-1-4 мг/л, Bі- Nі-2-8 мг/л, Pb, Cr, Ba, Tі-5-20 мг/л) қоректендіріп отырған. Осы тәжірибедегі өсімдік жапырағынан алынған әртүрлі фракцияларындағы P, K, Ca, Mg, Mn, Cu, Zn элементтеріне талдау жасағанда ауыр металдар P-ды негізінен нуклеин қышқылдар, белоктар және полисахаридтер құрамында төмендеткен. Ал, Bі, Cr, Ba, Tі және Nі металдары бар ортадағы өсімдіктің жапырақ фракцияларында (лигнин, целлюлоза, органикалық қышқыл, пигмент, липидтер) кадмий элементі жоғарылаған. Барлық ауыр металдар органикалық қышқылдарда, пигменттерде, липидтерде Ca элементін төмендетсе, Mg нуклеин қышқылдарында, полисахаридтерде төмендеген. Ауыр металдар Mn-тің полярлы қосылыстарда жинақталуын тудырған. Cr, Bі, Cd және Ba әсерінен Zn элементі белокта, полисахаридтерде жоғарылаған. Тары (Panicum L.) өсімдігінде ауыр металдар әсерінен пигменттерде, липидте, белокта, пектатта Cu жинақталса, полисахаридтерде, органикалық және нуклеин қышқылдарында өзгермеген күйі қалған [49]. Бұл алынған көрсеткіштерден өсімдіктердің жекеленген мүшелерінде және олардың фракцияларында ауыр металдар жоғарылап, өсімдікке қажетті микроэлементтердің ығысуына әсер ететінін көруге болады. Өсімдік тіршілігіндегі химиялық элементтердің ретінің бұзылуы олардың өсіп-дамуына теріс әсер беретіні белгілі.  

 

1.3 Ауыр металдардың өсімдіктерге  жолдары

Өсімдіктердің клетка қабығының негізі-целлюлоза. Одан басқа оның құрамында пектинді заттар, гемицеллюлоза, белоктар, бейорганикалық катиондар және тағы басқа заттар бар. Бұл заттар бір-бірімен байланысқан және кристалды құрылысты целлюлозалы-микрофибрилдермен клетка қабығының алғашқы қуыстарын түзеді. Өсімдік клетка қабығының биохимиялық компоненттері өсімдіктің түріне байланысты әртүрлі қатынаста. Бірінші кезекте иондарды сіңіретін, катион алмастыратын пектинді және гемицеллюлозалар қатынасы. Қосжарнақты өсімдіктердің тамырының клетка қабығында пектинді заттардың көп болуы еківалентті катиондармен жоғары байланыста болуымен, ал даражарнақты өсімдіктерде пектинді заттардың аз болуы гемицеллюлозаның көп болуы бірвалентті катиондармен байланысының артық болуында [50].

Тамыр клеткасы қабығының негізгі ион алмастырушы теріс зарядталған функционалдық топтар (карбоксилдер, гидроксилдер, фосфаттар) полисахаридтер және гликопротеидтер, сонымен қатар аз мөлшерде оң зарядталған белоктардың аминтоптары болады .

Қоршаған ортадағы ауыр металдардың жоғары концентрациясы өсімдік тамырының клетка қабығына сіңіріліп қана қоймай әртүрлі қосылыстар түрінде оның бетіне шөгіп қалады. Мысалы, мырыштың концентрациясы жоғарылаған жағдайда пияз өсімдігінің тамыр клеткасы қабығының бетіне онымен байланысқан гранула формасындағы көптеген преципитаттар мөлшері артатындығы туралы мәліметтер кездеседі. Қорғасынды бос ион күйінде пайдаланғанда клетка қабығының бетінде көп кездескен, ал Pb-ЭДТА күйінде қолданғанда мүлде болмаған. Хлорелла клетка қабығында қорғасын мен мырыш фосфатты комплекс түрінде байқалған [34], ал алюминий гидроксид түрінде кездескен [50].