Экологическое состояние почв поймы реки Припять в регионе Мозырского Полесья

Марганец, как и другие металлы переходной группы периодической системы (Fe, Zn, Сu), активизирует ферменты или входит в состав ферментов системы переноса электронов.

Нарушение в поступлении  марганца в живые организмы, обусловленное  его недостатком, избытком или дисбалансом  с другими элементами, негативно  сказывается на их росте и развитии.

В растениях симптомы марганцевой  недостаточности наступают при концентрации 20-30 мг/кг сух. в-ва. Они проявляются в первую очередь у молодых листьев в виде межжилкового хлороза (пятна вытянутой формы). При дефиците марганца снижается устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды (в частности, к низкой температуре), отмечается ослабление роста и потеря тургора клетками. Наиболее чувствительны к дефициту марганца овес, горох, сахарная свекла, фруктовые и ягодные культуры [3].

Дефицит марганца — обычное  явление для некоторых сельскохозяйственных культур, растущих на бедных этим элементом легких почвах, а также на почвах с нейтральной или щелочной реакцией среды и повышенным содержанием карбонатов [3].

Избыток марганца также опасен для растений. Нарушения наступают  при его концентрации в сухой  фитомассе свыше 200-500 мг/кг и проявляются в виде бурых пятен на листьях. Кроме того, избыток марганца нарушает нормальное соотношение Fe/Mn, вызывает депрессию в нуклеиновом обмене. Токсичное действие марганца на растения обычно наблюдается на богатых им почвах с кислой реакцией среды (при рН 5,5 и ниже). Избыток марганца возможен и при высоком значении рН на плохо дренируемых почвах — солонцах, луговых и болотных [3].

У животных дефицит марганца может возникать, когда его содержание в корме становится меньше 20, избыток  — при концентрации более 1000 мг/кг сух. в-ва. [3].

Количество микроэлемента в  рационе питания человека должно составлять не менее 2—3 и не более 10 мг/сут, в кормах животных — 1000 мг/кг сух. в-ва.[3].

Ni — никель. Необходимость элемента для живых организмов доказана сравнительно недавно. По механизму биологического действия никель схож с железом и кобальтом [3].

Будучи незаменимым компонентом уреазы, никель потребляется клубеньковыми бактериями бобовых растений. Он стимулирует процессы нитрификации и минерализации соединений азота. В опытах со злаковыми растениями установлено положительное влияние никеля на активность нитратредуктазы, играющей важную роль в восстановлении нитратов, и на азотфиксацию. Основное биологическое назначение никеля в животных организмах — участие в структурной организации и функционировании ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК (Рибонуклеиновая кислота) и белков. Кроме того, элемент имеет отношение к биосинтезу биологически активных соединений [3].

Никельдефицитные состояния у растений и человека не описаны, хотя, конечно, возможны. В то же время недостаток никеля у жвачных сельскохозяйственных животных изучен хорошо. Его последствия — снижение активности ферментов, возможность летального исхода [3].

Никель легко извлекается  растениями из почвы. При избытке  Ni подавляются процессы фотосинтеза и транспирации, появляются признаки хлороза. Нормальное содержание никеля в злаковых травах — 0,1- 1,7, в бобовых — 1,2-2,7, а в зерне в среднем 0,5 мг/кг сух. в-ва [3].

Pb — свинец. Интерес к элементу в биологии и медицине почти исключительно связан с его токсичностью для всего живого. Тем не менее установлено, что в небольших количествах он необходим растительным и особенно животным организмам. Дефицит свинца в растениях возможен при его содержании в надземной части от 2 до 6 мг/кг сух. в-ва. Животные испытывают недостаток этого элемента при концентрации его в корме менее 0,05—0,5 мг/кг [3].

В связи с техногенным  загрязнением окружающей среды, где  свинец рассматривается как приоритетный загрязнитель, накоплена информация о его токсическом действии на живые организмы. Избыток свинца в растениях ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого не только снижается урожайность растений, но и резко ухудшается качество производимой продукции [3].

Внешние симптомы негативного  действия свинца — появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. Устойчивость растений к избытку свинца неодинаковая: менее устойчивы злаковые, более устойчивы бобовые культуры. Поэтому симптомы токсичности у различных культур могут возникнуть при его разном валовом содержании в почве — от 100 до 500 мг/кг. Считается, что концентрация свинца свыше 10 мг/кг сух. в-ва является токсичной для большинства культурных растений [3].

При свинцовом токсикозе  у животных и человека в первую очередь поражаются органы кроветворения (анемия), нервная и сердечнососудистая системы, почки. Угнетается активность многих ферментов, нарушаются процессы метаболизма и биосинтеза. Указанные патологии возможны при превышении концентрации свинца свыше 0,03 мг/л в воде, 0,2-0,5 мг/кг сух. в-ва в зерне, 20-40 мг/кг сух. в-ва в пастбищной траве и кормах [3].

Zn — цинк. Выполняет в живых организмах многие биохимические функции. Наиболее существенная из них — участие в составе разнообразных ферментов в метаболизме углеводов, белков и фосфатов [3].

Общебиологическое значение этого элемента, указывающее на единство всего живого, — участие в процессе размножения. У высших растений цинк накапливается прежде всего в семенах, где концентрируется в зародыше. Недостаток микроэлемента сильнее угнетает процесс формирования генеративных органов и плодоношение (образование семян), чем рост вегетативной массы. В случае критически низкого уровня обеспеченности растений цинком возможно полное отсутствие семян [3].

Растения сильно различаются  по чувствительности к недостатку цинка, обычно он ощущается при концентрации в молодых растениях или органах менее 10—20 мг/кг сух. в-ва. Особенно страдают от недостатка цинка зерновые (кукуруза) и бобовые (фасоль, люцерна) культуры, травы, лен, фруктовые деревья [3].

Внешние симптомы цинкового  голодания у растений проявляются неодинаково: у кукурузы - побеление верхних листьев, или хлороз листьев, у томата — мелколиственность и скручивание листовых пластинок и черешков, у фруктовых деревьев — мелколиственность и розеточность. При этом у всех культур прекращается рост междоузлий и общий рост [3].

Дефицит цинка у растений ведет к нарушению углеводного, фосфорного и белкового обмена, ухудшению репродуктивной функции, снижению устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды [3].

Недостаток в почве  цинка — распространенное явление  на Земле. Он может быть обусловлен как низким содержанием элемента, так и малой его подвижностью. Обычно дефицит у растений возникает на легких и малогумусных почвах, при высоком содержании карбонатов и рН более 7 [3].

У животных дефицит цинка  ощущается при количестве в кормах менее 20—30 мг/кг сух. в-ва, что приводит к ухудшению аппетита, задержке роста и полового созревания, бесплодию [3].

Избыток цинка в растениях  в естественных условиях встречается редко. Он возможен при неправильном применении цинксодержащих удобрений, в зоне промышленного загрязнения почвы. Большинство видов растений обладают высокой толерантностью (терпимостью) к избытку цинка. Пределы избыточного и токсичного количества у разных растений неодинаковы. Например, избыточной для овса и ячменя считается концентрация более 70, токсичной — более 300 мг/кг сух. в-ва. Обычным симптомом цинкового токсикоза является хлороз молодых листьев. Ввиду антагонизма между цинком и другими микроэлементами при избыточном поступлении первого в растения может наблюдаться торможение притока меди и железа и возникать симптомы недостаточности этих элементов [3].

Для животных избыточным в  корме считается концентрация цинка более 500 мг/кг сух. в-ва. При избыточном потреблении элемента снижается прирост живой массы, появляется депрессия в поведении, возможны аборты [3].

1.2. Источники поступления тяжелых  металлов в почву

Источники загрязнения почв тяжелыми металлами и пути их проникновения в окружающую среду отличаются разнообразием, но в основном они имеют техногенное происхождение как последствия урбанизации и индустриализации. Развитие промышленности, сельского хозяйства, энергетики и транспорта, интенсивная добыча полезных ископаемых – все это привело к поступлению в воздух, воду, почву, растения сотен высокотоксичных (ежегодно еще и новых) химических веществ, в том числе и «металлических» загрязнителей.

Главным источником антропогенного поступления тяжелых металлов на земную поверхность являются промышленные выбросы, привнесение которых связано  в основном с горнодобывающей, металлургической и химической промышленностью. В районах промышленных комплексов почва в значительной степени загрязняется продуктами сгорания топлива, зола которых содержит практически все техногенные металлы [4].

В осадках, выпадающих на поверхность  почвы, могут содержаться, кроме  цинка, свинца, кадмия и кобальта: ртуть, хром, никель, медь и другие элементы, включая и естественно радиоактивные, входящие в семейства урана, актиноурана и тория. Основными источниками атмосферного загрязнения, связанного с хозяйственной деятельностью человека, являются тепловые и атомные электростанции (27%), предприятия черной металлургии (24,3%), предприятия по добыче и переработке нефти (15,5%), транспорт (13,1%), предприятия цветной металлургии (10,5%), а также предприятия по добыче и изготовлению строительных материалов (8,1 %). Основными «поставщиками» тяжелых металлов в атмосферный воздух являются предприятия тяжелой промышленности и цветной металлургии [5].

Привнесение тяжелых металлов на сельскохозяйственные земли происходит с применением ядохимикатов, удобрений и использованием сточных вод. Большую опасность загрязнения почв фтором и кадмием представляет внесение суперфосфата.

Значительным источником загрязнения почвы тяжелыми металлами являются удобрения, изготовленные из шламов промышленных и канализационных очистных сооружений, содержащие, как правило, кадмий, свинец, ртуть и другие токсичные металлы. Поэтому такие удобрения из шламов должны регулярно контролироваться на содержание в них, по крайней мере, 10 наиболее токсичных металлов (кадмия, мышьяка, ртути, свинца, хрома, ванадия, никеля, бериллия, олова, молибдена) и только потом могут быть использованы в качестве удобрений [6].

Серьезным источником загрязнения почв различными металлами являются фосфорные удобрения, в которых питательный элемент представлен солями ортофосфорной кислоты. Эта многоосновная кислота способна образовывать соли трех типов, определяемых степенью замещения водородных атомов, от которой зависит их растворимость в воде [5].

В природных условиях месторождения  фосфатов неизбежно обогащаются  различными металлами, которые, взаимодействуя с аннонами ортофосфорной кислоты, теряют подвижность и остаются в толще рудного образования. Часто фосфатные месторождения содержат значительные количества урана и элементов уранового ряда. Они могут обогащаться редкоземельными элементами и кадмием. Последний обычно содержится в фосфатах морского происхождения [5].

Органические удобрения, представленные экскрементами сельскохозяйственных животных, также могут служить источником поступления тяжелых металлов в почву и растения. Скармливание скоту сена, полученного с радиоактивно загрязненных участков, в стойловый период, приводит к образованию навоза, непригодного для использования в качестве органического удобрения, т.к. продукты ядерного деления в значительной степени выводятся из организма через пищеварительный тракт. Такой навоз подлежит захоронению, если содержание радионуклидов в нем больше, чем содержание их в удобряемых почвах [5].

Корма, полученные с территорий загрязненных тяжелыми металлами, необходимо анализировать на содержание загрязнителей прежде, чем принимать решение об их использовании. В первую очередь необходимо проверять растительные корма на кадмий и цинк, т.к. эти металлы очень подвижны в почвах и хорошо поступают в растения. Вот почему при использовании органических удобрений навоз часто является источником поступления кадмия в почву и кормовые растения [5].

Очистка сточных вод канализации  в крупных городах и районных центрах с развитой промышленностью даст большое количество осадка, состоящего из органического вещества с различными минеральными включениями. Органическое вещество коммунальных стоков обладает способностью поглощать из воды катионы солей тяжелых металлов. Поэтому в процессе канализационного транспорта жидкие промышленные стоки, перемешиваясь с коммунальными сбросами, в значительной степени освобождаются от солей тяжелых металлов в результате их адсорбции органическим веществом. На очистных станциях нерастворимые составляющие сточных вод отделяются в специальных отстойниках, а вода поступает в аэротенки, где происходит ее биологическая очистка с помощью специальной микрофлоры, которая использует для своей жизнедеятельности растворенное в воде органическое вещество и биогенные элементы. При этом биомасса микроорганизмов увеличивается, что заставляет постоянно удалять из аэротенков ее излишки, так называемый активный ил. Часть тяжелых металлов, находящихся в воде, поступающей в аэротенки после первичных отстойников, переходит в органическое вещество активного ила и удаляется вместе с ним. Активный ил и осадок первичных отстойников перед обезвоживанием смешивают и направляют на центрифуги, вакуум-фильтры или на площадки фильтрации, где происходит частичное удаление избыточной влаги [5].

Таким образом, значительная часть тяжелых металлов из сточных вод удаляется вместе с органическим веществом стока и биомассой микроорганизмов активного ила. После очистки сточных вод образуется большое количество отходов, содержащих богатейшую микрофлору, включающую патогенные микроорганизмы, личинки и яйца гельминтов. Это вещество начинает быстро разлагаться с выделением неприятных запахов. Оно представляет большую угрозу для окружающей среды и требует немедленного принятия мер по обеззараживанию и удалению. Наиболее разумным, на первый взгляд, является использование осадков сточных вод в качестве органического удобрения, так как они содержат большое количество биогенных элементов - азота и фосфора. Причем, по содержанию фосфора осадки сточных вод часто превосходят навоз сельскохозяйственных животных. Однако безоговорочному использованию осадков сточных вод в качестве органических удобрений для выращивания сельскохозяйственных культур препятствует значительное содержание в них солей тяжелых металлов [5].