Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы и растений | Кадмий

Мне бы хотелось обратить внимание на негативное действие Тяжелых металлов (ТМ): на почву, почвенную биоту и растения и ,самое главное, на основании понимания механизмов проникновения в растения обсудить какими приемами мы можем снизить риск негативного влияния на размер урожая и загрязнение сельскохозяйственной продукции .  Этим сообщением я начинаю серию  «Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы  и растений». Мы с вами рассмотрим – кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, стронций, фтор, цинк, хром.

Кадмий (Cd) в настоящее время считается одним из самых вредных тяжелых металлов, поскольку любое заметное увеличение его содержания в продуктах и кормах приводит к накоплению в организме человека .

Источники загрязнения почв сельскохозяйственных угодий Кадмием

Загрязнение сельскохозяйственных угодий кадмием осуществляется несколькими путями:

1. Атмосферное поступление кадмия на подстилающую поверхность с сухими и мокрыми выпадениями, количество которых в среднем за год составляет 0,2-9 кг/км2. Выпадающий из атмосферы кадмий в составе техногенных выбросов находится в основном в виде труднорастворимых соединений. Но при этом потенциальная опасность высвобождения кадмия и включение его в естественный круговорот сохраняется в случае изменения природных условий - ,например, выпадение кислотных дождей, что является обычным в районах загрязнения окружающей среды кадмием, увеличивает его мобильность в почве. При этом его поступление в растения увеличивается.
2. Вторым источником поступления кадмия в почву является осадки городских сточных вод и отходов животноводства. В навозе  в среднем  0,2 мг/кг сухой массы  кадмия.
3. Минеральные удобрения, преимущественно фосфорные. Кадмий – обычный компонент фосфорных удобрений, поэтому, продолжительное внесение фосфорных удобрений является причиной загрязнений почв кадмием.   Удобрения, полученные из фосфорных горных пород, дают более значительный вклад в загрязнении с/х почв кадмием, от 0,3 до 38 г/га ежегодно. Содержание кадмия в фосфорных горных породах магматического происхождения составляет около 5 мг/кг, в осадочных горных породах от 3 до 120 мг/кг. По разным источникам, содержание кадмия в фосфорных удобрениях колеблется от 1 до 200 мг/кг, содержание его в фосфоритах различно: в австралийских – 4 – 109 мг/кг, северо-африканских – 3 – 130, встречаются фосфориты с содержанием его до 980 мг/кг . 

Для кадмия экологически допустимое количество ежегодного поступления в дерново-подзолистую среднесуглинистую почву – 0,5 кг/га

Действие Кадмия на микробиоту

Избыток кадмия в почве ингибирует микробиологические и ферментативные процессы.

Опытным путем доказано существенное снижение активнтсти аммонификаторов в течение первых 60 дней с момента попадания кадмия в почву.

Соединения кадмия ингибируют  следующие спорообразующие бактерии: Bac. idosus , Bac. virgulus.  Тоже время, под действием кадмия происходило увеличение доли Вac. mycoides, Вac. cereus , Вac. cereus, Bac. agglomerаtus . В целом можно отметить обеднение видового разнообразия, в большинстве случаев доминировали Bac. agglomerаtus, Вac. mycoides и Вac. cereus.

Токсичность  солей кадмия подтверждается и значениями показателей -  активная микробная биомасса и коэффициент микробного дыхания.

Кадмий в растениях

Существует два основных способа поступления металлов в растение: через и листовую поверхность из воздуха и корни из почвы.

Поглощение металлов через листовую поверхность происходит из газопылевых выбросов и аэрозолей.

Наибольшее хозяйственное значение имеет проникновение кадмия при поглощении растением вместе с элементами минерального питания в ионной форме из почвенного раствора. В этом процессе участвуют расположенные на плазматической мембране поглотительных клеток корня механизмы ионного транспорта, включая ионные каналы разных видов и системы активного транспорта. Значительную роль в этом процессе играет мембранная разность электрических потенциалов, которая является движущей силой перемещения катионов из раствора в клетку по каналам.

Кадмий поступает в растения в виде свободного иона Cd2+ присутствующего в почвенном растворе. Основные почвенные факторы, увеличивающие поступление кадмия в растения – это низкие значения рН, высокая соленость почв, высокая концентрация кадмия в почве, низкое содержание органического вещества, маленькая ЕКО, низкое содержание глинистых веществ, оксидов железа и марганца, дефицит цинка, присутствие иона NH4+, высокая температура

При поступлении в растение кадмий  приводит к нарушению процессов фотосинтеза и транспирации, изменению активности ферментов, ингибированию синтеза белков и нуклеиновых кислот, подавлению фиксации углекислого газа, затруднению поглощения корневой системой меди, цинка, марганца, кальция, магния, фосфора, калия и железа, может вызывать угнетение роста, хлороз листьев. При этом усиленное образование свободных радикалов и активных форм кислорода вызывает перекисное окисление липидов, инактивацию энзимов и нарушение в структуре ДНК. Задерживая развитие растений, кадмий прежде всего негативно влияет на образование репродуктивных органов , на содержание зеленых пигментов в листьях. Кадмий способен сравнительно легко поступать в растения из почвы через корневую систему и улавливаться из атмосферы ассимилирующей фитомассой .

Виды сельскохозяйственных культур испытывают разный уровень токсического воздействия кадмия при одних и тех же почвенных условиях. Наиболее устойчивыми к кадмиевому загрязнению оказались посевы риса.

Классификация растений по способности накапливать кадмий в природных условиях:

• к первой группе относятся растения, которые накапливают низкие концентрации кадмия – семейство бобовые (Leguminosae)
• ко второй группе – растения, содержащие умеренное количество этого элемента – семейства злаковых (Graminae), лилейные (Lileaceae), тыквенные (Cucurbitaceae) и зонтичные (Umbelliferae).
• к третьей группе относятся растения, которые способны накапливать большое количество кадмия – маревые (Chenopodiaceae), крестоцветные (Cruciferae), паслёновые (Solanaceae) и сложноцветные (Compositae).

Наиболее явным признаком токсичного действия кадмия на растение является покраснение листьев, стеблей, черешков . К другим внешним симптомам токсического действия кадмия на растение относятся: хлороз, некроз, торможение роста . Происходят следующие морфологические изменения: мелколистность, морщинистость, сокращение размера листовых пластинок и междоузлий растений. Также высокие концентрации кадмия в почве тормозят прорастание семян.

Влияние на минеральное питание растений следующее: кадмий сильно подавляет поглощение калия корнями, ухудшается транспорт железа в наземные органы, а также кадмий может являться антагонистом цинка.

Но даже если высокие концентрации элемента не  оказывают заметного влияния на урожай некоторых сельскохозяйственных культур, кадмий накапливается в продукции, меняя его качество .

Определили, что при концентрации 2 мг/кг кадмия в почве, в зелёной массе кукурузы, люцерны и клубнях картофеля содержание кадмия увеличивается в 1,5-3 раза, а продуктивность этих культур снижается на 30-71% (максимально у кукурузы)

Кадмий в почве

Кадмий аккумулируется в гумусовом слое почв, вынос за пределы почвенного профиля невелик. Характер его распределения в почвенном профиле и ландшафте, видимо, имеет много общего с другими металлами, в частности, с характером распределения свинца. Однако кадмий закрепляется в почвенном профиле менее прочно, чем свинец. Максимальная адсорбция кадмия свойственна нейтральным и щелочным почвам с высоким содержанием гумуса и высокой емкостью поглощения. В почвах легкого механического состава, а также кислых и обедненных гумусом, процессы миграции кадмия усиливаются .

Содержание доступных форм кадмия зависит от рН в большей степени, чем от механического состава почвы. Кадмий подвижен в кислых почвах с рН<5,5. В слабокислых и нейтральных почвах с рН от 5,5 до 7,5, щелочных и сильно щелочных с рН от 7,5 до 9,5- слабоподвижен

Нормативы ФАО

По нормативам ФАО ежедневное поступление кадмия в организм человека не должно превышать 0,07 мг/кг его массы, ПДК кадмия в бытовой воде составляет 0,01 мг/л, в почве – 1 – 5 мг/кг воздушно сухой почвы.

Содержание кадмия в почве на уровне 5 мг/кг (ПДК – 1 мг/кг) наполовину снижает продуктивность сельскохозяйственных культур.

Если содержание кадмия в почве превышает 3 мг/кг, то его концентрация в биомассе растений будет не менее 0,4 мг/кг, что уже может вызвать токсический эффект у животных и человека.

Приемы снижения  загрязнения почв и попадания в растения кадмия

Все приемы по снижению опасности техногенного загрязнения почв кадмием можно разделить на две группы: агромелиоративные и биологические.

Агромелиоративные - основными методами, предназначенными для управления режимом обогащенных кадмием почв,  являются повышение рН и катионообменной емкости почвы. Одним из надежных способов снижения биодоступности кадмия является насыпка поверх загрязненной почвы слоя незараженной почвы толщиной до 30 см и использование различных сорбентов (клиноптилолитсодержащих туфов или биоуглей).

Из биологических приемов можно практиковать:

• подбор растений с низкими коэффициентами биологического поглощения кадмия (технические или зерновые злаковые культуры);
• выращивание растений-концентраторов для извлечения кадмия из почвы на сильно загрязненных полях, прежде всего, технических культур – льна, конопли, клещевины, картофеля (для получения спирта, крахмала), сахарной свеклы (для получения сахара), эфиромасличных культур (для получения растительных масел и сырья для парфюмерной промышленности) и лекарственных растений. В отдельных случаях можно выращивать семенники овощных и кормовых культур, а также те культуры, от которых в пищу используют органы (части), слабо накапливающие кадмий (картофель, томаты, бахчевые культуры);
• использование загрязненных почв для лесопосадок и выращивания декоративных растений.

В заключении хотелось бы обратить внимание на установленные факты: на почвах, загрязненных ТМ, урожайность зерновых ниже на 20–30%, сахарной свеклы – на 35, бобовых – на 40, картофеля – на 47%, чем на незагрязненных почвах.

При подготовке сообщения использовались литературные источники, находящиеся в открытом доступе:

• УДОБРЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В ЦЕНТРАЛЬНОМ НЕЧЕРНОЗЕМЬЕ, Самсонова Н.Е., Смоленск 2014
•  ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ  В ЭКОСИСТЕМАХ, Медведев И.Ф.,Деревягин С.С., Саратов, 2017
• ИЗУЧЕНИЕ РЕАКЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ ПОЧВ ЛЕСНЫХ ЦЕНОЗОВ НА
• ВНЕСЕНИЕ СОЛЕЙ СВИНЦА И КАДМИЯ В УСЛОВИЯХ МОДЕЛЬНОГО ОПЫТА, Холопов Ю.,Самара, 2013
• ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СРЕДЫ И БЛОКАТОРОВ ИОННЫХ КАНАЛОВ НА НАКОПЛЕНИЕ КАДМИЯ ПРОРОСТКАМИ ПШЕНИЦЫ И ГОРОХА,  Буховец В.В., Вергун А.Е.,  Андруконис  И.А..
• РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЦИНКА И КАДМИЯ В СИСТЕМЕ ТОРФЯНАЯ ПОЧВА – РАСТЕНИЕ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФОСФОРНЫХ И КАЛИЙНЫХ УДОБРЕНИЙ, Сладкова Н.А. Пушкин,2016
• ВЛИЯНИЕ БИОУГЛЯ И РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ НА ДОСТУПНОСТЬ АЗОТА РАСТЕНИЯМИ ЯЧМЕНЯ ПРИ ИЗБЫТКЕ КАДМИЯ В ПОЧВЕ, ИСКАНДИРОВА Ю.Р., Санкт-Петербург, 2020 

Буду благодарна за комментарии – при приобретении/выборе удобрений вы запрашиваете у поставщиков информацию о загрязнении  кадмием? Учитываете л вы риск поступления кадмия с удобрениями при определении нормы внесения удобрений? Какие значения загрязнения кадмием вы фиксируете у себя в почве? Интересна ли затронутая тема?