Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы и растений | Никель

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».

Источником ТМ являются промышленные предприятия, транспорт, сельское хозяйство и др. При этом выброс ТМ может иметь протяженность до 30-40 км. Хорошо известно, что ТМ в определенной концентрации необходимы для нормального функционирования живых организмов, однако, в больших количествах отрицательно влияют на ферментативные реакции и ингибируют многие жизненно важные процессы в клетках.

предприятий.

Почва является основным источником поступления микроэлементов в растения. На темпы поглощения микроэлементов растениями оказывают влияние агрофизические и агрохимические свойства почв, динамика почвенных процессов,  химические свойства металлов, состояние и трансформация их соединений, физиологические особенности растений .

По степени накопления микроэлементы подразделяются на несколько группы: 

1. Cd, Cs,Rb – интенсивно поглощаются; 
2. Zn, Mo, Cu, Pb, Ag, As, Co – средняя степень поглощения; 
3. Mn, Ni, Li, Cr, Be, Sb – слабо поглощаются;
4.  Se, Fe,Ba, Te – труднодоступны растениям. 

По абсолютному содержанию микроэлементы образуют несколько групп:

1. элементы повышенной концентрации – Sr, Mn,Zn; 
2. элементы средней концентрации – Cu, Ni,Pb, Cr;
3. элементы низкой концентрации – Mo,Cd, Se, Co, Sn; 
4. элементы очень низкой концентрации – Hg.

Сегодня поговорим о никеле

Биологическая роль никеля

Заключается в его участии в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов – ДНК, РНК и белка.

По своим биохимическим свойствам никель схож с железом и кобальтом. В почвах никель стимулирует микробиологические процессы нитрификации и минерализации соединений азота и способствует повышению продуктивности сельскохозяйственных культур. Токсичность этого элемента для растений проявляется в подавлении процессов фотосинтеза и транспирации, появлении признаков хлороза листьев.

Источники загрязнения Никелем

Никель является одним из приоритетных загрязнителей окружающей природной среды. Загрязнение агроценозов никелем происходит в результате выбросов предприятий черной и цветной металлургии, приборо- и машиностроения, ненормированного применения в сельском хозяйстве в качестве удобрения осадков сточных вод.

Никель – поглощение растениями

Никель относится к группе тяжелых металлов, которые слабо поглощаются растениями.

Интенсивность поглощения никеля растениями определяется типом почв, содержанием в них подвижной формы элемента, погодными условиями, видовыми особенностями растений и приспособленностью их к различным факторам окружающей природной среды.

Среди сельскохозяйственных культур овес и фасоль обладают способностью к преимущественному накоплению никеля в растениях. Это связано с биологическими особенностями этих культур. Наибольшая концентрация никеля наблюдается в корнях и продуктивной части растений.

Содержание никеля в растениях колеблется от 1 до 10 мг/кг. Низкое содержание никеля в растениях определяется небольшим содержанием его в почвах, слабой биологической доступностью и барьерностью к нему надземных частей растений.

Границы токсичного уровня для большинства видов растений изменяются от 5 до 30 мг/кг.  Содержание никеля в урожае разных сельскохозяйственных культур Новосибирской области колеблется от 0,2 до 7,5 мг/кг сухого вещества , в зерне пшеницы и зеленой массе люцерны Восточного Забайкалья – от 0,12 до 2,58 мг/кг , в зерне бобовых культур Белгородской области – от 1,43 до 7,22 мг/кг .

Предельно допустимая концентрация никеля в кормовом зерне составляет 1 мг/кг, грубых и сочных кормах – 3 мг/кг

 Влияние ионов никеля на изменение физиологических процессов цианобактерий Nostoc linckia

В опыте был выявлен сильный ингибирующий эффект Ni2+ на интенсивность размножения и жизнеспособность испытуемой ЦБ . Определение жизнеспособности клеток почвенной ЦБ N. linckia методом ТТХ показало, что высокие концентрации Ni2+ при сохранении внешней структуры клеток приводят к почти полной гибели популяции ЦБ. Однако и погибшие клетки сохраняют сорбционные способности. Под влиянием ионов Ni2+ у ЦБ N. linckia, выявлены изменения и других физиологических показателей функционирования клеток: возрастание интенсивности окислительных процессов и накопления продуктов ПОЛ,снижение хлорофилла а . Вероятно, разрушение пигмента под действием Ni2+ становится одной из причин гибели популяции .

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

• известняк 10-20
• орошение сточными водами  16-5300
• фосфорные удобрения 7-38
• азотные удобрения 7-34

Никель – нормы содержания в почве

 Предельно допустимые концентрации (ПДК):

• Валовое содержание, мг/кг  4,0

Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК):

• Валовое содержание, мг/кг

песчаные и супесчаные 20,0  

кислые суглинистые и глинистые: 

с рН<5,5 40,0
с рН>5,5 80,0

 Никель – распределение по почве

Химические элементы и их соединения, попадая на поверхность почв в ландшафтно-геохимические системы, претерпевают ряд превращений, рассеиваются или накапливаются в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории. Геохимические барьеры были определены А.И. Перельманом (1961) как участки зоны гипергенеза, на которых изменение условий миграции приводит к накоплению химических элементов. В основу классификации барьеров положены виды миграции элементов. А. И. Перельман выделяет четыре типа и несколько классов геохимических барьеров .

1. Биогеохимические барьеры — для всех элементов, которые перераспределяются и сортируются живыми организмами (О, С, Н, Са, К, N, Si, Мg, Р, S и др.);
2. Физико-химические барьеры: 1) окислительные – железный или железомарганцевый (Fе, Мn, Со), марганцевый (Мn), серный (S); 2) восстановительные – сульфидный (Fе, V, Zn, Ni, Сu, Со, Рb, U, As, Сd, Нg, Аg, Sе), глеевый (V, Сu, U, Ag, Se); 3) сульфатный и карбонатный (Ва, Са, Sr); 4) щелочной (Fe, Ca, Mg, Sr, Zr, Cu, Ni, Co, Pb, Cd); 5) кислый (SiO2); 6) испарительный (Са, Na, Hg, F, S, Sr, Cl, Pb, Ni, U); 7) адсорбционный (Са, К, Мg, Рb, V, Сr, Zn, Ni, Со, U, As, Hg, Ra); 8) термодинамический (Са, S);
3. Механические барьеры (Fe, Ti, Cz, Ni, Th, Sn, W, Hg, Pt, Pd);
4. Техногенные барьеры.

Параметры, используемые для оценки устойчивости почв  к техногенному воздействию

Устойчивость почв к техногенному воздействию является одним из важных свойств. Определение и обобщение параметров, учитывающих данный показатель, является в настоящее время актуальной и сложной задачей. Некоторые принимают устойчивость почв как запас ее буферности , в данном случае устойчивость будет проявляться в нормальном, стабильном функционировании почв и ландшафтов. В другом случае устойчивость рассматривается как способность почв к самоочищению после техногенного воздействия.

Выделяют два рода устойчивости:

Первый – устойчивость противостояния почв к техногенному воздействию. К нему относятся такие свойства почв, как: ее буферная способность, слабые изменения физико-химического состава и активности микробиоты.

Второй – способность к восстановлению почв, возобновление показателей первого рода и их нормальное функционирование .

Согласно теории В.И. Вернадского о роли живого вещества в биосфере, основное место приходится на интегральные показатели почв к воздействию на эколого-геохимическое и химическое состояние. Ключевые показатели стабильного функционирования биосферы включают в себя ряд показателей:

• Биологическая продуктивность не должна понижаться. 
• В биомассе не должны накапливаться элементы, нарушающие жизненные функции организмов, в том числе и в смежных системах. 
• В почве должен сохраняться полезный биофонд, поддерживающий устойчивость почв как биокосной системы.

При нарушении данных показателей почвы должны считаться загрязненными или нарушенными и неустойчивыми к внешнему воздействию . Но все описываемые выше показатели характеризуют общую устойчивость, но не отмечают конкретные параметры, которые необходимо учитывать при оценке почв к техногенному воздействию.

Основанием для выбора конкретных параметров свойств почв служит корреляционная связь, отмеченная в мировой литературе при изучении влияния техногенных факторов на свойства почв. Общий перечень данных параметров состоит из следующих показателей, необходимых для учета при эколого-геохимической оценки и устойчивости почв:

• кислотно-щелочные условия (pH гор А/гор В );
• окислительно-восстановительные условия, Eh, мв; оглеение;
• мощность органогенных и гумусовых горизонтов;
• емкость поглощения катионов, мг-экв / 100 г;
• сумма обменных оснований, мг-экв / 100 г;
• наличие карбонатов и обменного Na;
• содержание аморфных гидроксидов Fe, Mn, Al;

Приемы снижения  загрязнения почв и попадания в растения никеля

Все приемы по снижению опасности техногенного загрязнения почв ТМ 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.

Из биологических приемов можно практиковать  биологическую ремедиацию:

Установлен высокий уровень сорбционной активности по отношению к ионам меди (II) и никеля (II) у альгологически чистой культуры почвенной Цианобактерии  (ЦБ)  Nostoc linckia (до 60 %) и природных биопленок с доминированием ЦБ р. Phormidium (до 99 % из растворов с ионами меди и до 96 % из растворов со смесью ионов).

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:

• ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ, Водяницкий Ю.Н.,  Ладонин Д.В., А. Т. Савичев А.Т., Москва, 2012
• ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И РАСТЕНИЯ, Титов А.Ф.,  Казнина Н.М., Таланова В.В., 2014
• ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ЭКОСИСТЕМАХ,  Медведев И. Ф., Деревягин С.С.,2017
• МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЯХ (ОБЗОР),  Побилат А.Е., Волошин Е.И., 2021
• Минеральные удобрения как источник загрязнения почв и сельскохозяйственной продукции тяжелыми металлами, Гладышев В.П., Пьяных Г.М.,2000
• ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ПОЧВ В РАЙОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА (НА ПРИМЕРЕ КРАСНОУРАЛЬСКОГО ПРОМУЗЛА), Маричев М.С., 2021
• 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)
• ВЛИЯНИЕ ИОНОВ МЕДИ И НИКЕЛЯ НА ПОЧВЕННЫЕ ЦИАНОБАКТЕРИИ И ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНЫЕ СООБЩЕСТВА, Горонстаева Е.А., 2015

 

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