Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы  и растений | Кадмий

Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы и растений | Кадмий

Елена Соколова
1,76К

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 . 
Среднее содержание кадмия в азотных удобрениях 0,2 мг/кг, калийных -0,3 мг/кг и органических удобрениях - 0,55 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?

Опубликовано: 16 октября, 2023 в 14:49
Тэги:
Похожие посты
Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы и растений | Медь
Антибиотики – фитотоксичность и действие на биоту почвы. Поглощение
Антибиотики – фитотоксичность/биота почвы 2. Пшеница
Антибиотики – фитотоксичность/ биота почвы, 1. Фасоль, Овощи
Здоровье почв: пожиратели гербицидов или контролируем последействие биотой

4 комментария

Честно сказать никогда и не задумывались об этом.
А как вычислять, получается, что только визуально?
17.10.2023
Виктор Антипов,  
анализ почвы на содержание кадмия. агрохимцентры готовы делать анализы
17.10.2023
Было бы интересно прочитать про токсик Zn. Однажды меня за него чуть "не повесили"! Я так и не понял.... Одни говорят Zn - самый дефицитный микроэлемент в почве, другие причисляют его токсичным...???
18.10.2023
Павел Данилов,  
Павел, статья про цинк запланирована.
18.10.2023