Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы и растений | Медь

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 продолжаю  серию  «Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы  и растений». Мы с вами рассмотрим – медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, стронций, фтор, цинк, хром. К тяжёлым металлам относят химические элементы, имеющие плотность более 5 г/см3 и атомную массу свыше 40.

Сегодня поговорим о меди.

Медь является металлом, антропогенное распространение которого в биосфере началось около 5 тысяч лет назад. Экологи, токсикологи и геохимики включают ее в группу тяжелых металлов и относят ко 2-ому классу опасности.

Среди обширной группы тяжелых металлов медь не самый токсичный элемент. В определенных концентрациях она совершенно необходима живым организмам, включая человека. Медь относится к микроэлементам и участвует в важнейших биохимических процессах в организмах животных и растений , выступая в качестве кофактора для целого ряда оксидоредуктаз. В тканях здорового человека концентрация меди строго постоянна, а около 95% от ее общего содержания находится в составе гликопротеина крови церулоплазмина, поставляющим медь ко всем органам и тканям . В определенных условиях, в частности, при техногенном загрязнении природных сред медью, ее содержание в тканях организма становится избыточным и вызывает острый токсикоз, сопровождающийся остановкой роста, гемолизом, снижением содержания гемоглобина, деградацией тканей важнейших органов.

Двойственное значение этого элемента (эссенциальность и токсичность) объясняет интерес исследователей к особенностям распределения и накопления меди в почвенном покрове природных и урбанизированных экосистем различных регионов мира, поскольку именно из почв избыток меди поступает в растения и далее по пищевым цепям распространяется в биосфере.

Медь является важнейшим микроэлементом, необходимым растениям. Физиологическая и биохимическая роль ее определяется вхождением в состав ряда ферментов: полифенолоксидазы, лактазы, аскорбинатоксидазы и др., она играет важную роль в азотном и нуклеиновом обменах, учувствует в защитных функциях растительного организма. Однако в повышенных концентрациях медь токсична и может вызвать отравление растений, приводящее к снижению активности ряда ферментов, а также к нарушению механизмов поглощения биофильных элементов. В конечном итоге это сопровождается потерей урожая и качества сельскохозяйственной продукции.

Агротехнические источники загрязнения почв ( мг/кг сухой массы):

• известняк – 2–125
• орошение сточными водами-  50-3300
• фосфорные удобрения – 1-300 (суперфосфат простой 32, суперфосфат двойной 1,  фосфоритная мука 2.5)
• азотные удобрения 1-15

Источники поступления меди в почву в садах

В то же время, в общем ряду земель сельскохозяйственного назначения выделяются по нагрузке пестицидами садовые агроценозы. Система защиты плодовых растений от вредителей и болезней включает многократные обработки медьсодержащими препаратами (трихлорфенолятом меди, хлорокисью меди, медным купоросом и пр.).  Ежегодная доза меди в составе фунгицидов в среднем за сезон составляет 13 кг/га. Во время обработок деревьев большая часть фунгицидов (до 90 % объёма жидкости) оседает на поверхность почвы. В садах Крыма, ежегодно обрабатываемых медьсодержащими фунгицидами, содержание меди в почвах превышает фон в 2-6 раз и составляет от 40 до 180 мг/кг .

В садовом массиве ГНУ ВНИИСПК (Орловская область), используемом в садоводстве более 50 лет, содержание меди в серой лесной среднесуглинистой почве превышает регионально фоновые показатели в 3-6 раз . Имеются данные об увеличении на 20-30 % за 5 лет содержания Cu, Pb и Ni в кислых почвах садоводческих хозяйств Тамбовской области . С 1995 года отмечаются высокие концентрации меди в почве садов Краснодарского края, причём превышение ПДК меди в почве в 1,5-2 раза приводит к значительному возрастанию содержания меди в плодах .

Медь (Cu) – влияние на растения

По степени подвижности при поступлении в растения тяжелые металлы располагаются в порядке:Cd>Cu>Ni>Pb>Cr. При поступлении в растения между разными микроэлементами имеет место конкурентное, аддитивное и синергическое взаимодействие. Так, при увеличении содержания цинка уменьшается содержание кальция, стронция и кобальта, а увеличивается концентрация калия, меди, свинца.

При возделывании сельскохозяйственных культур на загрязненной почве по уровню накопления ТМ органы растений располагаются в следующий ряд: корни > стебли и листья > органы запасания ассимилянтов, т.е. наиболее защищенной оказывается используемая в пищу часть растений.

Несмотря на общую толерантность растительных видов и генотипов к меди, этот элемент все же рассматривается как сильно токсичный. При высоких концентрациях меди в почве возникают токсические эффекты, такие как хлороз и пороки развития корневой системы.

Токсичное действие меди на растение в значительной степени зависит от адсорбционной способности и реакции почв. На легких кислых почвах медь в концентрации 5-7 кг/га негативно влияет на развитие растений, в то время как на торфяных почвах количество 75 кг/га не оказывает такого эффекта. Содержание меди в растениях зависит от ее концентрации в почве, фазы вегетации и сорта растений . В незагрязненных районах содержание меди в растениях колеблется от 1 до 30 мг/кг сухой массы. Концентрация, превышающая 20 мг/кг сухой массы, условно считается пороговой, определяющей области нормального и избыточного содержания . В надземной части растения содержание меди составляет в среднем 5-10 мг/кг и редко превышает 30 мг/кг в расчете на сухую массу. При повышенной концентрации (20 мг/кг) снижается дыхание растений. При концентрации 20 мг/кг корма становятся токсичны для овец, а при 15 мг/кг – для ягнят.

Медь – влияние на ячмень, горох

Установлено, что под влиянием малых концентраций меди и свинца происходит увеличение содержания хлорофилла в листьях ячменя сорта «Орен­бургский 16», дозы тяжелых металлов больше предельно-допустимой концентрации отрица­тельно сказывались на содержании этого пока­зателя, наблюдалось уменьшение содержания хлорофилла. В растениях гороха сорта «Нут» наблюдалось лишь уменьшение содержания хлорофилла. Различие полученных результатов можно объяснить принадлежностью анализи­руемых растений к разным видам. Увеличение содержания хлорофилла в опытных образцах по сравнению с контрольным объясняется со­держащимся в растениях белком пластоциани­ном, это – медьсодержащий белок, вовлечённый в транспорт электронов от фотосистемы II к фо­тосистеме I. Увеличение содержание углерода объяснится тем, что при высоком содержании тяжелых металлов в почвах они в основном на­капливаются в корнях растений, поступление их в наземные органы растений ограничивает­ся функционированием защитных физиолого-биохимических механизмов. Данный вопрос пока еще остается малоизученным.

 Медь – нормы содержания в почве ( по СанПиН)

Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) -  Валовое содержание, мг/кг

Медь: песчаные и супесчаные 33,0, кислые суглинистые и глинистые:  с рН меньше 5,5 66, с рН больше 5,5 - 132,0

Медь – влияние на микробиоту почвы

Загрязнение почв ТМ оказывает существенное влияние на трансформацию азотсодержащих соединений. В наибольшей степени ТМ ингибируют активность азотфиксации. Токсическое действие ТМ на азотфиксацию в значительной степени зависит от природы металла и убывает в следующем ряду: Cd > Cu > Zn > Pb. Высокие концентрации ТМ, подавляя активность процессов минерализации азотсодержащих органических соединений и нитрификации, приводят к уменьшению содержания в почве подвижного азота минеральных соединений.

Медь – влияние на почву

Загрязнение почв медью ухудшает ее физические и химические свойства: уменьшается число микроагрегатов, снижается их водопрочность, т.е. возникает опасность эрозии и уплотнения. При увеличении концентрации меди в почвах возрастает объем подвижной фракции гумуса (фульвокислот), гидролитическая кислотность и уменьшается число обменных катионов .

Медь – поведение в почве

Медь один из наименее подвижных тяжелых металлов. Множество органических и минеральных соединений образует различные по растворимости комплексы с медью. В почвах с высоким содержанием органического вещества и глины подвижность металла низкая. Поэтому способность почв связывать медь в значительной степени зависит от характера и количества органического вещества .

Механизмы защиты растений от тяжелых металлов

Согласно современным представлени­ям, существуют механизмы защиты растений от действия тяжелых металлов, в том числе свинца и меди. Установлено, что часть подвижных форм металлов под действием корневых выделений переходит в менее активное состояние. Некоторое количество адсорбируется на внешней поверхности корней. Поглощенные корнями свинец или медь или задерживается в свободном клеточном пространстве или ис­пользуются в процессах метаболизма. Только часть катионов металла с ксилемным током транспортируется в надземные органы.

Приемы снижения  загрязнения почв и попадания в растения меди

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

Агромелиоративные - основными методами, предназначенными для управления режимом обогащенных медью почв,  являются повышение рН и катионообменной емкости почвы. Одним из надежных способов снижения биодоступности меди 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 меди (технические или зерновые злаковые культуры);
• выращивание растений-концентраторов для извлечения меди 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.
• установлено, что предпосевная инокуляция семян пшеницы и гороха почвенной ЦБ Nostoc linckia обладает защитным действием для растений при их выращивании в медьзагрязненной почве. Предпосевная инокуляция семян горчицы белой культурой почвенной ЦБ Fisch. muscicola повышает уровень выноса меди из почвы. Поэтому растительно-цианобактериальный комплекс «Sinapis alba + Fischerella muscicola» может служить основой для создания системы мероприятий, направленных на биоремедиацию почв, загрязненных  медью.

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
• ВЛИЯНИЕ ИОНОВ МЕДИ И НИКЕЛЯ НА ПОЧВЕННЫЕ ЦИАНОБАКТЕРИИ И ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНЫЕ СООБЩЕСТВА, Горностаева Е. А., Москва, 2015
• Питательный режим и биологическая активность почвы в зависимости от загрязнения медью и роль диатомита как детоксиканта, Куликова А.Х.,Тойгильдин А.Л.,Цаповская О.Н., 2022
• ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ МЕДИ В ПОЧВАХ РАЗНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗОН ГОРОДА НОВОКУЙБЫШЕВСКА, Старцев А. И., 2019
• ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ, Водяницкий Ю.Н.,  Ладонин Д.В., А. Т. Савичев А.Т., Москва, 2012
• НАКОПЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ ВБЛИЗИ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ   Тихонова Л.В., О.В. Тельминова О.В. Курган 2006
• Влияние различных концентраций солей меди и свинца на содержание хлорофилла и содержание углерода в листьях растений,   Кушнарева О.П., Перекрестова Е.Н., Оренбург, 2015
• ОСОБЕННОСТИ ПОСТУПЛЕНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЯ ЗЕМЛЯНИКИ САДОВОЙ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ, Ветрова О.А., 2015
• УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ К ТЯЖЕЛЫМ МЕТАЛЛАМ И ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ, Репкина Н.С.,2013
• Минеральные удобрения как источник загрязнения почв и сельскохозяйственной продукции тяжелыми металлами, Гладышев В.П., Пьяных Г.М., 2000
• Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573–96 "Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения" (утв. постановлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 31 октября 1996 г. N 46)

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