ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА СВОЙСТВА ПОЧВЫ И ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ
МЕТАЛЛАМИ НА СВОЙСТВА ПОЧВЫ И ЖИВЫЕ
ОРГАНИЗМЫ
Загрязнение почв ТМ имеет сразу две отрицательные стороны. Во-первых, поступая по пищевым цепям из почвы в растения, а оттуда в организм животных и человека, ТМ приводят к росту заболеваемости населения и сокращению продолжительности жизни, а также к снижению количества и качества урожаев сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции.
Во-вторых, накапливаясь в почве в больших количествах, ТМ способны изменять многие ее свойства. Прежде всего, изменения затрагивают биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т.д.
Влиянию загрязнения ТМ на биологические свойства почв посвящено большое количество исследований.
ТМ способны изменять общую численность микроорганизмов в почве. Чувствительность к ТМ различается у разных групп почвенных микроорганизмов. При загрязнении почв ТМ наблюдается снижение количества бактерий и актиномицетов (Евдокимова, Мозгова, 1975; Бабьева и др., 1980; Скворцова и др., 1980; Евдокимова и др., 1984; Булавко, Наплекова, 1984; Левин и др., 1989; Kabata-Pendias, Pendias, 1973). Наиболее чувствительными являются аммонифицирующие, олигонитрофильные, корнеподобные и некоторые споровые бактерии, актиномицеты (Стефурак, 1982; Bewley, Stotzky, 1983; Ammann, Коерре, 1984). В большей степени устойчивы к загрязнению целлюлозолитические бактерии (Булавко, Наплекова,
1984) и бактерии, использующие минеральный азот (Евдокимова, Мозгова, 1978; Летунова и др., 1976; Наплекова, Степанова, 1981; Стефурак, 1982).
Однако не во всех случаях наблюдалось снижение численности почвенных микроорганизмов. В ряде работ отмечено увеличение общей численности микрофлоры (Кобзев, 1980; Булавко, 1982; Загуральская, Зябчен-ко, 1994). По предположению некоторых исследователей, это объясняется гибелью чувствительных микроорганизмов и активным развитием устойчивых форм, использующих в качестве питания энергетический материал погибших клеток.
Увеличение численности при загрязнении почвы ТМ особенно характерно для микроскопических грибов (Евдокимова и др., 1984; Марфенина,
1985) . У них отмечена меньшая чувствительность к воздействию ТМ (Па-хотина, 1958; Скворцова, Якушкина, 1980; Наплекова, Степанова, 1981; Перцовская и др., 1982; Косинова, 1985; Tatsuyama et al., 1975; Gingell et aL, 1976). Устойчивость грибов объясняют их физиологическими особенностями — тем, что в процессе жизнедеятельности они выделяют органические кислоты, которые нейтрализуют токсическое действие ТМ, образуя с ними комплексы, менее токсичные, чем свободные ионы (Gingell et al., 1976; Gadd, Griffiths, 1978).
Для большинства дрожжевых организмов пределы устойчивости к повышенному содержанию ТМ довольно широки (Левин, Григорьева, 1988).
Ряд авторов сообщает об отсутствии достоверных изменений количества микроорганизмов в загрязненных почвах (Wainwright, 1980; Williams, Vollum, 1981; Wang, 1984). Эти высказывания выглядят вполне обосновано, учитывая большую природную вариабельность численности микроорганизмов (Звягинцев, Голимбет, 1983; Левин и др., 1989). Некоторые авторы полагают, что по численности отдельных групп микроорганизмов (споро32 вых бактерий, грибов, актиномицетов) невозможно обнаружить достоверных отличий в действии ТМ на почву в концентрациях, в несколько раз превышающих фоновые (Тонкопий и др., 1981). Достоверные изменения численности обнаруживаются только при концентрации загрязнителя на два порядка превышающей фоновую (Левин и др., 1989).
Загрязнение ТМ отражается на активности биохимических процессов в почве. ТМ изменяют ее ферментативную активность. Высокие концентрации ТМ ингибируют активность ферментов: каталазы, дегидрогеназы, инвертазы, уреазы, амилазы, фосфатазы (Шиндерук, 1976; Григорян, Галстян, 1979; 1986; Григорян, 1980; Паникова, Перцовская, 1982; Асеева и др., 1988; Ефремова и др., 1988; Tyler, 1974; Hertkort-Obst, Frank, 1980). В ряде случаев ТМ могут даже полностью инактивировать некоторые ферменты (Белицина и др., 1989).
Ингибирующее действие ТМ неодинаково по отношению к разным ферментам. Разные авторы наиболее чувствительными называют разные ферменты: инвертазу (Григорян, 1980), дегидрогеназу (Rogers, Li, 1985), уреазу (Hertkort-Obst, Frank, 1980). В то же время сравнительную токсичность металлов большинство авторов считают приблизительно постоянной и убывающей в ряду: Cd>Pb>Zn (Левин и др., 1989; Doelman, Haanstra, 1979; Duxbury, 1985; Rogers, Li, 1985). В отличие от высоких концентраций, низкие концентрации ТМ могут оказывать слабое стимулирующее действие на активность ферментов (Краснова, 1982; Левин и др., 1989; Wainwright, 1980).
Загрязнение почв ТМ оказывает существенное влияние на трансформацию азотсодержащих соединений. В наибольшей степени ТМ ингибируют активность азотфиксации (Умаров, Азиева, 1980; Евдокимова и др., 1984; Гришина и др., 1984; Скворцова и др., 1984; Клевенская, 1985; Роды-нюк,1985; Левин и др., 1989; Tyler, 1974). Токсическое действие ТМ на азотфиксацию в значительной степени зависит от природы металла и убывает в следующем ряду: Co>Cu>Zn>Pb (Умаров, Азиева, 1980; Vesper, Weidensaul, 1978). Малые дозы свинца могут даже стимулировать азотфик-сирующую активность (Умаров, Азиева, 1980).
Действие ТМ на биологическую активность и другие свойства почв, прежде всего, зависит от природы элемента и его концентрации в почве. Кроме того, важным фактором является форма химического соединения металла. Свободные ионы металлов являются более токсичными, чем их недиссоциированные соли или практически нерастворимые оксиды (Левин и др., 1989). Также действие ТМ зависит от того, образует ли данный элемент органические или неорганические комплексные соединения, т.к. образование металлом хелатных комплексов снижает его токсичность (Anderson, Nilsson, 1976). Степень токсичности ТМ также зависит от присутствия конкурирующих ионов, независимо от того токсичны они или нет (Громов, Павленко, 1989).
Важным фактором устойчивости почв к загрязнению являются свойства самой почвы. Бедные, малобуферные почвы, как правило, более чувствительны к загрязнению, чем черноземы (Левин и др., 1989).
Хроническое загрязнение металлами в низких дозах может вызывать больший токсический эффект, чем однократное в высоких (Doelman, 1986).
Таким образом, можно констатировать тот факт, что результаты загрязнения почв ТМ не всегда однозначны. В большинстве случаев отмечается снижение биологической активности почвы, однако при незначительном загрязнении не редки случаи увеличения численности микроорганизмов, интенсивности микробиологических процессов, ферментативной активности почвы и т.д.
Токсическое (генотоксическое и цитотоксическое) воздействие ТМ на биологические системы обусловлено тем, что они легко связываются с сульфгидрильными группами белков (в том числе и ферментов), подавляя их синтез, и тем самым нарушая обмен веществ в организме. Ионы ТМ гораздо прочнее связываются с большинством органических лигандов, чем, например, ионы магния и кальция. В результате между перечисленными ионами возникают конкурентные взаимоотношения за места связывания в активных центрах многих ферментов (термолизииа, щелочной фосфатазы, РНК-полимераз, ДНК-полимераз, карбоангидразы альдолаз класса П, некоторых алкогольдегидрогеназ и супероксиддисмутазы и др.), что приводит к их инактивации. Кроме того, ионы ТМ легко связываются с остатками рибозы, дезоксирибозы и фосфорной кислоты, а также с азотистыми основаниями, входящими в состав ДНК и РНК, и их макроэргическими производными (ДТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ и ТТФ). Следствием этого является нарушение процессов транскрипции и трансляции, а также клеточного дыхания (Громов, Павленко, 1989; Торшин и др., 1990; Биогеохимический цикл тяжелых металлов в экосистеме Нижнего Дона, 1991).
Большое количество исследований посвящено изучению механизмов сопротивляемости живых организмов действию ТМ (Барсукова, 1997; Ап-tonovics et al., 1971; Сох, Hutchinson, 1980; Foy et al., 1978 и др.).
Наиболее существенным последствием воздействия ТМ на живые организмы, проявляющимся на биогеоценотическом и биосферном уровнях организации живого вещества, является блокирование процессов окисления органического вещества. Это приводит к снижению скорости его минерализации и накоплению в экосистемах. В то же время, увеличение концентрации органического вещества приводит к связыванию им ТМ, что временно снимает нагрузку с экосистемы. Снижение скорости разложения органического вещества за счет снижения численности организмов, их биомассы и интенсивности жизнедеятельности считают пассивной реакцией экосистем на загрязнение ТМ.
Активное противостояние организмов антропогенным нагрузкам проявляется лишь в ходе прижизненной аккумуляции металлов в телах и скелетах. Ответственными за этот процесс являются наиболее устойчивые виды.
Устойчивость живых организмов, прежде всего растений, к повышенным концентрациям ТМ и их способность накапливать высокие концентрации металлов могут представлять большую опасность для здоровья людей, так как допускают проникновение загрязняющих веществ в пищевые цепи (Колесников и др., 2000).
От химического состава почвы зависит химический состав продуктов растительного и животного происхождения. В зависимости от геохимических условий производства пища человека может удовлетворять потребности человека в минеральных элементах, быть дефицитной или содержать превышающее их количество, становясь более токсичной, вызывая заболевания и даже смерть.
В результате техногенного загрязнения биосферы ТМ часто происходит приближение концентрации элементов в различных объектах биосферы к верхнему пороговому уровню, а иногда и превышение его. Быстрое в эволюционном отношении изменение окружающей среды не позволяет человеку адаптироваться к новому составу пищи, воды и воздуха, приводит к нарушениям в физиологических процессах, ставит под угрозу здоровье человека (Торшин с соавт., 1990).
Разные ТМ представляют опасность для здоровья человека в различной степени. Как показали работы Колесникова С.И. с соавт. (2006 и др.) ТМ по влиянию на состояние почвы не располагаются по классам опасности, разработанным применительно к здоровью людей. Поэтому по отношению к почвам необходимо разработать собственные классы опасности.
