Изучение влияния солей тяжелых металлов (ацетатов Pb и Co) на наземные растения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

Кафедра «Экологии»

Курсовая работа

по дисциплине «Экологическая токсикология»

на тему: «Изучение влияния солей тяжелых металлов (ацетатов Pb и Co) на наземные растения»

Выполнили: студентки группы ЭКЛ-3

Нехведович Е.

Васильева Н.

Золина Ю.

Проверила:

проф. д.х.н. Губина Т.И

Саратов 2011

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Понятие терминов тяжелые металлы и экотоксиканты

1.1.1 Тяжелые металлы

1.1.2 Экотоксиканты

1.2 Макро- и микроэлементы

1.2.1 Макроэлементы

1.2.2 Микроэлементы

1.3 Влияние тяжелых металлов на растения

1.4 Объекты, которые использовались в работе

1.5 Методы определения тяжелых металлов

2. Основная часть

2.1 Материалы и методы исследования

2.1.1 Объекты исследования

2.1.2 Материалы исследования

2.1.3 Методика подготовки хлорофилла

2.1.4 Приготовление растворов солей

2.2 Обсуждение результатов

Выводы

Список использованных источников

Введение

В настоящее время в биосферу поступает свыше 500 тыс. разновидностей химических веществ - продуктов хозяйственной деятельности, большая часть которых накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы.

Тяжелые металлы - группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см³. Для их биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, т.е. считать тяжелыми металлы с относительной массой более 40. К тяжелым металлам отнесена группа элементов, имеющих большое биохимическое и физиологическое значение, так называемые микроэлементы - медь (Cu), цинк (Zn), молибден (Mo), кобальт (Co), марганец (Mn).

В зависимости от концентрации в природной среде их определяют или как микроэлементы, или как тяжелые металлы. Существует группа металлов, за которыми закрепилось только одно определение - «тяжелые» в значении «токсичные». К ним относятся ртуть (Hg), кадмий (Cd), свинец (Pb), таллий (Tl) и некоторые другие элементы. Они считаются наиболее опасными загрязнителями окружающей среды наряду с такими металлоидами, как мышьяк (As), селен (Se), теллур (Te).

Химические элементы, постоянно входящие в состав организмов растений, животных и человека и необходимые для их жизнедеятельности, получили название биогенных элементов. Важнейшие биогенные элементы, присутствующие в клетках всех видов организмов - кислород, углерод, водород, азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий.

К числу микроэлементов, содержание которых в организме исчисляется тысячными и даже триллионными долями процента, относятся: железо, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк, кадмий, фтор, йод, селен, стронций, бериллий, литий и др.

Микроэлементам, несмотря на их малое количественное содержание в организмах, принадлежит значительная биологическая роль. Помимо общего благоприятного влияния на процессы роста и развития, установлено специфическое воздействие ряда микроэлементов на важнейшие физиологические процессы - например, фотосинтез у растений.

Отдельные биогенные элементы выступают в роли катализаторов в различных химических реакциях организма, регулируют осмотические процессы, являются составными частями буферных систем, регулируют проницаемость биологических мембран.

Наиболее характерна высокая биологическая активность микроэлементов, т. е. способность чрезвычайно малых доз их оказывать сильное действие.

Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы и организмы объясняется тем, что они вступают в теснейшую связь с биологически активными органическими веществами - гормонами, витаминами. Изучена также их связь со многими белками и ферментами. Именно указанными взаимоотношениями и определяются основные пути вовлечения микроэлементов в биологические процессы [15,16,17].

Цель работы: изучить действие ацетатов кобальта и свинца на наземное растение бархатцы.

Задачи:

1) подобрать литературу по данной теме;

2) освоить работу на флюорате;

3) с помощью флуоресцентного метода изучить действие металлов на интенсивность флюоресценции хлорофиллов a и b, и на их количественное соотношение.

1. Литературный обзор

1.1 Понятие терминов тяжелые металлы и экотоксиканты

1.1.1 Тяжелые металлы

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

На сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. [1] При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль, которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см³. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. [11]

В работах Ю.А. Израэля [12] в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.

Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.

Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.[1]

1.1.2 Экотоксиканты

Экотоксиканты - ядовитые химические загрязнители окружающей среды, способные долгое время сохраняться, мигрировать и накапливаться в ее биотических и абиотических компонентах, оказывая длительное токсическое воздействие на человека и животных. Загрязнение природной среды газообразными, жидкими и твердыми веществами и отходами производства, вызывающее деградацию среды обитания и наносящее ущерб здоровью населения, остается наиболее острой экологической проблемой, имеющей приоритетное социальное и экономическое значение.

Сегодня, когда скорость увеличения вредного воздействия средовых факторов и интенсивность их влияния уже выходит за пределы биологической приспособляемости экосистем к изменениям среды обитания и создает прямую угрозу жизни и здоровью населения, всестороннее изучение экотоксикантов и разработка мер борьбы с их распространением и повреждающим действием являются актуальной проблемой всемирного значения. Экотоксиканты - это экологически опасные факторы химической природы. В концентрациях, превышающих естественный природный уровень, экотоксиканты оказывают токсическое воздействие, как на окружающую среду, так и на здоровье человека.

К экотоксикантам, имеющим приоритетное значение по степени опасности для окружающей среды и здоровья человека, из неорганических относятся тяжелые металлы, а из органических - нефть и нефтепродукты, полихлорированные и полициклические ароматические углеводороды. Особую опасность для человека представляют собой стойкие экотоксиканты диоксины, которые приводят к развитию диоксиновой патологии.

Наиболее значимые источники экотоксикантов:

1. воздействие ракетно-космической техники (в районах падения отделяющихся частей ракет-носителей скапливается большое количество токсичного гептила, который загрязняет почву, поверхностные и грунтовые воды);

2. воздействие воздушных судов гражданской авиации (негативные эффекты на уровне озонового слоя, загрязнение атмосферы веществами, образующимися в процессе сгорания топлива);

3. воздействие транспорта (загрязнение токсичными веществами отработавших газов транспортных двигателей, выбросы в атмосферу "нетрадиционных" веществ: канцерогенных (бензол, формальдегид, бензапирен, ацетальдегид и др.) и вызывающих различные заболевания (толуол, ксилолы, 1,3-бутадиен, тяжелые металлы и др.), слив сточных вод от стационарных источников, образование твердых отходов);

4. десятки миллиардов тонн твердых отходов производства и потребления, среди которых определенную долю составляют экологически опасные токсичные промышленные отходы разных классов опасности:

- I класс - отходы гальванических производств, ртуть, хлорорганика, хром шестивалентный и др.

- II класс - кубовые остатки, нефтепродукты, мышьяк, серная кислота и др.

- III класс - нефтешламы, медь, свинец, цинк и др.

5. объекты сельскохозяйственного производства (базы средств химизации, взлетно-посадочные полосы, склады минеральных удобрений, навозохранилища, животноводческие комплексы и т. д., где наблюдается повышенное содержание нитратов и других экотоксикантов, в том числе запрещенные и пришедшие в негодность пестициды);

6. горная, угледобывающая и лесоперерабатывающая промышленность (твердые отходы, рудные терриконы, химические средства обработки древесины);

7. нефтедобывающая промышленность (нефтешламы);

8. захламление территорий в окрестностях городов и населенных пунктов, придорожных участков, стоянок автотранспорта производственными отходами, строительным и бытовым мусором;

9. тепловые электростанции, работающие на твердом топливе (токсичные золошлаки);

10. городские свалки, полигоны для твердых бытовых отходов (экотоксиканты, образующиеся гниения и сжигания);

11. накопление отходов производства и потребления от предприятий железнодорожного транспорта;

12. осадки от водопроводных и канализационных станций очистки вод. [2]

1.2 Макро- и микроэлементы

1.2.1 Макроэлементы

Элементы, количество которых в растениях составляет проценты или десятые доли процента, называют макроэлементами. К ним относят азот, фосфор, серу и катионы - калий, магний и кальций; железо занимает промежуточное положение между макро- и микроэлементами.

Азот хорошо усваивается растением из солей азотной кислоты и аммония. Он является одним из главнейших элементов корневого `питания, так как входит в состав белков всех живых клеток. Сложная молекула белка, из которого построена протоплазма, содержит от 16 до 18% азота. Азот является составной частью нуклеиновых кислот, входящих в состав ядра и являющихся носителями наследственности. Значение азота для растительной клетки определяется еще тем, что он является неотъемлемой частью хлорофилла - зеленого пигмента растений, от присутствия которого зависит фотосинтез; он входит в состав ферментов, которые регулируют реакции обмена веществ, и ряда витаминов. Очень небольшое количество азота встречается в растении в неорганической форме. При избытке азотного питания или при недостатке света в клеточном соке накапливаются нитраты.

Азот необходим овощным растениям в течение всей вегетации, так как они постоянно строят новые органы. Если растение испытывает недостаток в азоте, то это, прежде всего, сказывается на темпе роста. Новые побеги почти не образуются, размеры листьев уменьшаются. При отсутствии азота в старых листьях хлорофилл разрушается, вследствие чего листья принимают бледно-зеленую окраску, а затем желтеют и отмирают. При сильном голодании начинают желтеть листья средних ярусов, а верхние листья принимают бледно-зеленую окраску.

Сера усваивается растениями только в окисленной форме-в виде аниона SO4". В растении основная масса аниона сульфата восстанавливается до -SH и -S-S- групп. В виде таких группировок сера входит в состав некоторых аминокислот и белков. Сера входит также в состав ряда ферментов, в том числе ферментов, участвующих в процессе дыхания. Таким образом, соединения серы играют важную роль в процессах обмена веществ и энергии.

Фосфор усваивается растениями в окисленной форме в виде солей фосфорной кислоты. Фосфор входит в состав сложных белков - нуклеопротеидов, важнейших веществ ядра и плазмы. Фосфор входит также в состав фосфатидов и жироподобных веществ, играющих большую роль в образовании поверхностных мембран клетки, в состав ряда ферментов, многих физиологически активных соединений. Он играет огромную роль в процессах гликолиза и аэробного дыхания. Освобождающаяся в этих процессах энергия накапливается в виде богатых энергией фосфатных связей; эта энергия затем используется для синтеза самых различных веществ.

Фосфор принимает участие и в таком важном процессе жизнедеятельности растений, как фотосинтез. Фосфорная кислота в растении не восстанавливается, а связывается с органическими веществами, образуя фосфорные эфиры. Если фосфор в окружающей среде содержится в изобилии, то он накапливается в клеточном соке в виде минеральных солей, которые являются запасным фондом фосфора. Благодаря буферным свойствам соли фосфорной кислоты регулируют также кислотность содержимого клетки, поддерживая ее на благоприятном уровне.

Калий, кальций и магний усваиваются из любых растворимых солей, анионы которых не обладают токсическим действием. Доступными они являются и, находясь в `поглощенном состоянии, т. е. связанные с каким-нибудь нерастворимым веществом, обладающим ясно отраженными кислотными свойствами. Попав в растения, калий и кальций в своей массе не претерпевают никаких химических превращений, но они необходимы для питания. Их нельзя заменить другими элементами, как нельзя ничем заменить азот, фосфор и серу.

Основная физиологическая роль калия, кальция и магния, вернее их ионов, состоит в том, что, адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц протоплазмы, они создают вокруг них определенные электростатические силы. Эти силы играют немаловажную роль в создании структуры живого вещества, без которой не могут происходить ни согласованная деятельность ферментов, ни синтез клеточных веществ. Ионы удерживают вокруг себя различное количество молекул воды, в результате чего объем иона является неодинаковым.

Поскольку, адсорбируясь, ионы стремятся удержать свою водяную оболочку, то они определяют оводненность и водоудерживающую силу коллоидов. При наличии калия водоудерживающая способность ткани увеличивается, при наличии кальция - понижается. Таким образом, решающим в создании определенных внутренних структур является соотношение катионов, а не только их абсолютное содержание.

Калий в растениях содержится в больших количествах, чем любой другой катион, особенно в их вегетативных частях. Основная масса калия сосредоточена в клеточном соке. В молодых клетках, богатых протоплазмой, значительная часть калия находится в адсорбированном состоянии. Калий оказывает большое влияние на коллоиды плазмы, он `повышает их гидрофильность («разжижает» плазму). Калий является также катализатором ряда синтетических процессов: как правило, он катализирует синтезы высокомолекулярных веществ из более простых, способствует синтезу сахарозы, крахмала, жиров, белков. При недостатке калия процессы синтеза нарушаются, и в растении скапливаются глюкоза, аминокислоты и продукты распада других высокомолекулярных соединений. При недостатке калия на нижних листьях появляется краевой запал - края листовой, пластинки отмирают, листья приобретают характерную куполообразную форму, на листьях появляются коричневые пятна. Образование коричневых пятен (некрозов) связано с нарушением азотного обмена и образованием в тканях трупного яда - путресцина.

Кальций поступает в растение в течение всей его жизни. Часть кальция находится в клеточном соке. Этот кальций не принимает активного участия в процессах обмена веществ, он главным образом обеспечивает нейтрализацию избыточно образующихся органических кислот. Часть кальция сосредоточена в плазме - здесь кальций играет роль антагониста калия, он оказывает на коллоиды плазмы действие, противоположное калию, а именно - понижает гидрофильность плазменных коллоидов, повышает их вязкость. Для нормального хода жизненных процессов очень важно оптимальное соотношение калия и кальция в плазме, так как именно это соотношение обусловливает определенные коллоидные свойства плазмы. Кальций входит в состав ядерного вещества, а потому играет большую роль в процессах деления клетки. Велика роль кальция и в образовании клеточных оболочек, особенно в формировании стенок корневых волосков, куда он входит в виде пектата. При отсутствии кальция в питательном растворе очень быстро поражаются точки роста надземных частей и корня, так как кальций не передвигается из старых частей растения к молодым. Корни ослизняются, рост их почти прекращается или идет ненормально. В искусственной культуре на водопроводной воде обычно симптомы недостатка кальция не проявляются.

Магний поступает в растения в меньших количествах, чем калий и кальций. Тем не менее, роль его в растении исключительна, так как магний входит в состав хлорофилла (часть магния клетки входит в состав хлорофилла). Магний необходим также всем бесхлорофилльным организмам, и его роль не исчерпывается значением для процесса фотосинтеза. Магний является чрезвычайно важным и для дыхательного обмена, он катализирует целый ряд реакций образования богатых энергией фосфатных связей и их переноса. Так как богатые энергией фосфатные связи участвуют в самых различных синтезах, то без магния эти процессы не идут. При недостатке магния разрушается молекула хлорофилла, `причем жилки листьев остаются зелеными, а участки тканей, расположенные между жилками, бледнеют. Это явление называется пятнистым хлорозом и очень характерно для недостатка магния.

Железо поглощается из раствора, как в виде растворенных солей, так и в виде комплексных и органических соединений. Содержание его в растениях невелико, обычно оно составляет сотые доли процента. В растительных тканях железо частично переходит в органические соединения. Ион железа способен легко переходить из окисной формы в закисную, и обратно. В силу этого, находясь в составе ферментов, он принимает активное участие в окислительно-восстановительных процессах. Железо, в частности, входит в состав дыхательных ферментов (цитохрома, цитохромоксида, каталазы и пероксидазы).

В состав молекулы хлорофилла железо не входит, но принимает деятельное участие в его образовании. При недостатке железа развивается хлороз - хлорофилл не образуется, листья принимают характерную желтую окраску. Поскольку подвижность железа в растительных тканях очень мала, железо, находящееся в старых листьях, не может быть использовано молодыми листьями. Этим объясняется, `почему хлороз всегда начинается с молодых листьев.

При недостатке железа изменяется не только окраска молодых листьев, но и фотосинтез; рост растений замедляется. Необходимо поэтому при появлении первых `признаков хлороза принимать меры к его устранению. Если прибавить железо в питательный раствор не позднее чем через пять дней после начала заболевания, то окраска листьев восстанавливается. Более поздние меры не приносят желаемого эффекта.

1.2.2 Микроэлементы

Кроме основных элементов, для роста растений необходим целый ряд так называемых микроэлементов. Они находятся в растении в ничтожных количествах, составляя тысячные доли процента его сырого веса. Микроэлементы усваиваются только при низких концентрациях соответствующих солей. При увеличении дозы они становятся уже ядовитыми для растения. С этим обстоятельством приходится особенно считаться при выращивании растений без почвы. Микроэлементы не играют роли в осмотических свойствах клеточного сока, не могут участвовать в структурообразовании протоплазмы. Их количество слишком ничтожно для выполнения подобных функций. Роль их в жизни растений, подобно витаминам, связана с деятельностью ферментов.

Из микроэлементов особо важен бор. Для того чтобы растение нормально развивалось, его необходимо постоянно снабжать бором, так как он слабо `передвигается по растению. При отсутствии бора приостанавливается рост корней и наземной части. Точки роста отмирают, так как клетки молодой растущей ткани - меристемы перестают делиться. Внешние признаки недостатка бора схожи с недостатком кальция, так как метаболизм этого элемента тесно связан с бором. Бор принимает участие в процессе прорастания пыльцы и росте завязи, поэтому при недостатке его резко снижается семенная продукция растений. Бор играет большую роль в передвижении сахаров; ряд борорганических соединений является активаторами роста.

Значительная доля меди сосредоточена в хлоропластах. По-видимому, медь катализирует какие-то реакции в фотосинтезе. При недостатке меди хлоропласты оказываются недолговечными, медь, видимо, препятствует разрушению хлорофилла. Медь входит в состав ряда окислительных ферментов (полифенолксидаза, тирозиназа и др.). Медь играет большую роль и в белковом обмене.

Цинк входит в состав важного фермента - карбоангидразы. Кроме того, цинк участвует в синтезе аминокислоты триптофана, являющегося предшественником ростовых веществ (ауксинов) в растении.

Он очень важен для растения, так как катализирует реакции карбоксилирования и играет важную роль в фотосинтезе и дыхании. Органические и неорганические соединения марганца встречаются во всех частях растения. Преимущественно он скапливается в листьях и в точках роста - в молодой растущей ткани, где наблюдается наибольшая физиологическая активность. Хотя марганец не входит в молекулу окислительных ферментов, его наличие способствует окислительным превращениям.

Присутствие марганца в питательном растворе повышает дыхание корней, при этом заметно увеличивается усвоение нитратного азота. Особенно характерным свойством марганца является его способность окислять соединения железа. При недостатке марганца железо накапливается в закисной форме и, являясь ядовитым, отравляет растительную ткань. Наоборот, при большом количестве марганца все железо превращается в окисную форму. Из этого следует, что железо и марганец должны находиться в питательном растворе в определенном соотношении, а именно: железа дается в четыре раза больше, чем марганца. Такое соотношение является наиболее выгодным для растения.

Молибден необходим растениям в чрезвычайно малых количествах. Он катализирует процессы восстановления нитратов и синтеза белковых веществ.

Хлор - усиливает дыхание растений.

Натрий - Повышает урожай с/х культур, увеличивает сахаристость.

Медь - при сильно выраженном страдании растения засыхают, кончики листьев белеют, по краям становятся желтовато-серого цвета, содержание хлорофилла в растениях уменьшается. Достаточно внести небольшие дозы медных удобрений, чтобы предупредить это заболевание. [4]

1.3 Влияние тяжелых металлов на растения

тяжелый металл растение хлорофилл

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление ТМ растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. В своей жизнедеятельности растения контактируют только с доступными формами ТМ, количество которых, в свою очередь, тесно связано с буферностью почв. Однако способность почв связывать и инактивировать ТМ имеет свои пределы, и когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов, важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению.

Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступления путем максимального использования своих барьерных функций. Для большинства растений первым барьерным уровнем являются корни, где задерживается наибольшее количества ТМ, следующий - стебли и листья, и наконец, последний ? органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции. Уровень накопления ТМ разными растениями в зависимости от их генетических и видовых особенностей при одинаковом содержании ТМ в почвах.

Отмечаются случаи, когда разные сорта одной культуры, произрастающие на одинаково загрязненной почве, содержали различные количество ТМ. Данный факт, по-видимому, обусловлен присущим всем живым организмам внутривидовым полиморфизмом, способным проявить себя и при техногенном загрязнении природной среды. Это свойство у растения может стать основой генетически - селекционных исследований с целью создания сортов с повышенными защитными возможностями по отношению к избыточным концентрациям ТМ.

Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению ТМ, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп:

1) Cd, Cs, Rb - элементы интенсивного поглощения;

2) Zn, Mo, Cu, Pb, As - средней степени поглощения;

3) Mn, Ni - слабого поглощения;

4) Se, Fe, Ва - элементы, труднодоступные растениям.

Другой путь поступления ТМ в растения ? некорневое поглощение из воздушных потоков. Оно имеет место при значительном выпадении металлов из атмосферы на листовой аппарат, чаще всего вблизи крупных промышленных предприятий. Поступление элементов в растения через листья (или фолиарное поглощение) происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения через кутикулу. ТМ, поглощенные листьями, могут переноситься в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ.

Токсичность тяжелых металлов связана с их физико-химическими свойствами, со способностью к образованию прочных соединений с рядом функциональных группировок на поверхности и внутри клеток.

Таким образом, действие металлов на растительный организм зависит от природы элемента, содержание его в окружающей среде, характера почвы, формы химического соединения, срока от момента загрязнения. Формирование химического состава растительного организма определяется биохимическими особенностями различных видов организмов, их возрастом и биохимическими закономерностями связи между элементами в организме. Содержание одних и тех химических элементов в различных частях растений.

Важную роль в защите растений от избытка поступающих из почвы в корни ТМ выполняет корневая система. Задерживая избыточные ионы, корни тем самым способствуют сохранению в наземных органах невредных (благоприятных) концентрации химических элементов.

Связывание ТМ органическими соединениями не всегда означает перевод в малоподвижное состояние. Отмечается, что некоторые комплексы ТМ с органическими лигандами способны проходить через мембраны легче, чем ионы этих металлов, и затем внутри клетки распадаться.

При сильном загрязнении среды обитания поток ТМ становится столь большим, что может наблюдаться повышенное содержание их не только в вегетативных органах, но и в органах запаса ассимилятов. Растения выглядят угнетенными (хлорозы, некрозы), снижается их продуктивность. Это указывает на нарушение течения метаболических процессов. При очень сильном загрязнении среды обитания растения прекращают развитие, гибнут.

Растения загрязняются также с поверхности в результате оседания из воздуха на листья и стебли металлосодержащих частиц. Поверхностное загрязнение может быть значительным.

Накопление ТМ растениями, произрастающими на загрязненных почвах, в значительной степени зависит от уровня загрязнения. Однако сильная прямая корреляция между этими показателями обнаруживается не всегда, поскольку поток ТМ из почвы в растения определяется не только валовым содержанием, но и концентрацией в почве их подвижной формы, что тесно связано с химическим составом техногенных выбросов, защитными (буферными) возможностями почвы. Вблизи завода (0- 1,5 км) накопление ТМ столь велико, что возделывание сельскохозяйственных культур опасно для здоровья человека и животных.

Свинец в растения в основном поступает через корни, тем не менее, он способен поглощаться и через листья. Накопление атмосферного свинца у растений вблизи автомобильных дорог может достигать 40% от его количества в растениях. Основное количество свинца сосредоточено в вегетативных органах, тогда как в репродуктивных органах накапливается 4-7% от его количества в растениях.

Под влиянием марганца целый ряд почвенных микроорганизмов, участвующих в усвоении растениями атмосферного азота, усиливают свою активность.

Среднее содержание марганца в растениях равно 0,00 1%. Марганец служит катализатором процессов дыхания растений, принимает участие в процессе фотосинтеза. Марганец входит в состав либо является активатором ряда ферментативных систем; регулирует отношение железа, тем самым влияя на окислительно-восстановительные процессы, совершающиеся с помощью железа.

Марганец усиливает гидролитические процессы, в результате чего нарастает количество аминокислот, способствует продвижению ассимилятов, образующихся в процессе фотосинтеза от листьев к корням и другим органам.

Токсичные для растений концентрации ТМ в зависимости от свойств почв могут варьировать в значительной степени. Эти уровни колеблются в 2-5 раз для различных ТМ при выращивании сельскохозяйственных культур. Критические уровни содержания ТМ в сухих растениях и растительных кормах (мг/кг вещества): для свинца -10-20 и 10-30; для никеля 26-154.

Уровень содержания ТМ в почве, при котором происходит снижение продуктивности растений в 5-6 раз, называется токсичным.

Наряду с физиологическими системами, ограничивающими поступление ТМ, растения располагает мощным аппаратом, выводящим их при выделении метаболитов. От избыточного количества ТМ растения могут освобождаться с корневыми выделениями, в процессе транспирации и дыхания. Растения транспортируют вместе с влагой значительное количество ТМ, составляющее целые проценты от их содержания в растительном организме.

Проблема избыточного накопления ТМ в растениях затрагивает широкий круг вопросов, касающихся механизмов поглощения, транспорта, метаболизма и распределения его в органах и тканях. Биогенные элементы играют существенную роль в обеспечении физико-биохимических барьеров, при проникновении ТМ в растения.

Избыточные концентрации ТМ отрицательно влияют на синтез и функции многих биохимических активных соединений: ферментов, витаминов, пигментов и др. Повышенные по сравнению с фоном концентрации ТМ существенно влияют на фотосинтетическую деятельность растений.

При изучении белкового обмена растений показано, что избыточная концентрация ТМ влияет на уменьшение содержания альбуминов и возрастает количество проламинов, глютелинов и нерастворимого остатка. Это указывает на снижение содержания лизина. Растения обладают способностью ограничивать накопление элементов - загрязнителей в надземных органах, особенно в органах запасания ассимилятов.

Растения являются хорошими индикаторами, позволяющими определить степень загрязнения почв соединениями тяжелых металлов. Степень накопления соединений тяжелых металлов в растениях определяется уровнем загрязнения почв, расстоянием от техногенного источника, количеством атмосферных выпадений и видовыми особенностями растений. При этом повышенные концентрации соединений ТМ содержатся в корнях и листьях. Содержание соединений ТМ в растениях сельскохозяйственных районов в семь раз меньше, чем в растениях, растущих в зоне городов.

В связи с тем, что многие растения используются в пищу или корма возникает проблема взаимоотношения растений и тяжелых металлов в окружающей среде, она является актуальной и требует дальнейшего ее изучения.

Оценка уровней безопасного загрязнения почв ТМ проводится исходя из недопустимости повышения порога адаптационной возможности наиболее чувствительной группы населения и экологической адаптационной способности почвы. Почва служит естественным барьером на пути ТМ и сдерживает их поступление в растения и сопредельные среды. Предельная допустимая концентрация в почвах для РЬ-фон +20 мг/кг.

Сохранить почву в современных условиях практически невозможно, так как вся поверхность земного шара подвержена техногенному воздействию. Наиболее мощные потоки ТМ возникает вокруг предприятий черной и цветной металлургии. Исключение составляет свинец, в окружающую среду в большом количестве поступает также от автотранспорта. Урбанизация общества приводит к тому, что в почвах городов значительно повышается содержание.[5]

1.4 Объекты, которые использовались в работе

В работе использовались два металла Pb (Свинец) и Co (Кобальт).

Кобальт - в биосфере кобальт преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения - концентраторы кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация кобальта - в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10^-3% кобальта, в песчаниках 3·10^-5, в известняках 1·10^-5. Наиболее бедны кобальтом песчаные почвы лесных районов. В поверхностных водах его мало, в Мировом океане его лишь 5·10^-8%. Будучи слабым водным мигрантом, он легко переходит в осадки, адсорбируясь гидроокисями марганца, глинами и другими высокодисперсными минералами.

Содержание кобальта в почвах определяет количество этого элемента в составе растений данной местности, а от этого зависит поступление кобальта в организм травоядных животных.

Постоянно присутствуя в тканях растений, кобальт участвует в обменных процессах. В животном организме его содержание зависит от его уровня в кормовых растениях и почвах. Концентрация кобальта в растениях пастбищ и лугов в среднем составляет 2,2·10^-5-4,5·10^-5% на сухое вещество. Способность к накоплению этого элемента у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. В связи с высокой способностью к концентрации кобальта морские водоросли по его содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде его значительно меньше, чем в почвах. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других семейств. В микродозах кобальт является необходимым элементом для нормальной жизнедеятельности многих растений и животных. Вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными.

Кобальт применяют в сельском хозяйстве как микроудобрения - удобрения, содержащие микроэлементы (В, Cu, Mn, Zn, Со и др.), т. е. вещества, потребляемые растениями в небольших количествах.

Известкование почв снижает усвояемость растениями кобальта. Так же влияет избыток марганца и железа в почвах; наоборот, фосфор усиливает поступление кобальта в растения.

Применение кобальтовых солей (сернокислого кобальта) в качестве удобрений, как, оказалось, способствует ускорению созревания ячменя, повышает урожай семян красного клевера, увеличивает содержание жира в семенах льна. Под влиянием кобальта повышается урожайность сахарной свеклы.

Внесение 300 г сернокислого кобальта на 1 га значительно повышает урожай винограда: вес ягод увеличивается на 35%, сахаристость - на 14%, кислотность снижается на 10%.

М.Я. Школьник предлагает вносить кобальт в качестве удобрений в следующих дозах: внесение в почву перед посевом - 2-6 кг на 1 га; внесение в междурядье в виде подкормки - 0,5 кг на 1 га; внекорневое питание- 0,1-процентный раствор; намачивание семян - 0,1-процентный раствор. При внесении кобальтовых удобрений с самолета применяется измельченный сернокислый кобальт в дозе 1,415 кг на 1 га.

Помимо чистых химических соединений кобальта, в качестве удобрений могут быть также использованы продукты переработки шлаков никелевого производства и колчеданных огарков.[6]

Свинец - причины летнего листопада - высокое содержание свинца в воздухе. Но, концентрируя свинец, деревья тем самым очищают воздух. В течение вегетативного периода одно дерево обезвреживает соединения свинца, содержащиеся в 130 л. бензина. Наименее восприимчивым к свинцу является клен, а наиболее восприимчивым орешник и ель. Сторона деревьев, обращенная к автомобильным магистралям, на 30-60% “металличнее”. Хвоя ели и сосны обладает свойствами хорошего фильтра по отношению к свинцу. Она его накапливает и не обменивает с окружающей средой. Накопление свинца ведут интенсивно грибы, мхи и лишайники и доводят его концентрацию до 64,76 частей на миллион соответственно. Овес и клевер при концентрации свинца 50 частей на миллион начинают замедлять рост и урожайность снижается. Исследователи изучили процесс накопления свинца в почве. Из атмосферы в почву свинец попадает чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяется, переходя в гидроксиды, карбонаты или форму катионов. Если почва прочно связывает свинец, это предохраняет от загрязнения её грунтовые и питьевые воды, растительную продукцию. Но тогда сама почва постепенно становится все более зараженной и в какой-то момент может произойти разрушение органического вещества почвы с выбросом свинца в почвенный раствор. В итоге такая почва окажется непригодной для сельскохозяйственного использования. Общее количество свинца, которое может задержать метровый слой почвы на 1 гектаре, достигает 500-600 тонн. Такого количества свинца даже при очень сильном загрязнении в обычной обстановке не бывает. Почвы песчаные, малогумусовые устойчивы против загрязнения; это значит, что они слабо связывают свинец, легко отдают его растениям или пропускают через себя с фильтровыми водами. Установлено, что в слое глубиной до 5 см свинец накапливается более интенсивно, чем медь, молибден, железо, никель и хром. Ученые изучали почву и растительность в районах расположения свинцово-цинкового завода и завода по производству аккумуляторов и обнаружили свинец в почве в количествах, превышающих ПДК в 40-50 среднее. Отмечено интересная особенность растений - в различных своих частях накоплять различное количество свинца. Например, салат и сельдерей в листьях накапливают значительно больше свинца, чем в корнях, а морковь и одуванчик - наоборот. Отмечено активное накопление свинца в капусте и корнеплодах, отмечают большое содержание свинца в картофеле. Выявили интересную особенность репчатого лука. Оказалось, что на фоновых участках он содержит свинца всего 0,07 частей на 1 млн. частей сухого вещества. На придорожных участках его концентрация гораздо меньше, но степень возрастания этой концентрации десятикратная. С другой стороны зеленый лук и ежа сборная оказались самыми устойчивыми к накоплению свинца из всех изученных растений; содержание свинца в них не превышало 4 частей на 1 млн. Водное растение эйхорния оказалась великолепным работником по очистке водоема от химических соединений, причем работает она очень быстро. Это объясняется тем, что у эйхорнии длинные, разветвленные корни. Заметим, что поглощая большие количества свинца, сама эйхорния остается здоровой. Оказалось, что и после насыщения ядами эйхорния может быть полезна. Её подвергают газификации и получают газ, по свойствам близкий к природному. А из золы извлекают металлы: свинец, ртуть, кадмий. Но, пожалуй, рекордсменом среди растений по стойкости к соединениям свинца являются дрожжи. Биологи утверждают, что дрожжи могут поглощать огромные количества свинца в виде уксуснокислой соли - до 15 тысяч частей на миллион частей веса дрожжей - без всякого угнетения обмена веществ. В ничтожном количестве свинец необходим живым организмам. Растительность суши вовлекает в биологический круговорот ежедневно 70-80 тыс. т свинца. Содержание его в растениях обычно не значительные: примерно 1-2 тысячных долей % от веса золы. Верхний порог концентраций свинца для растений пока не установлен. Воды рек выносят в год 17-18 тыс. т свинца, что примерно в 200 раз меньше количества выплавляемого металла. Техногенное рассеяние свинца происходит интенсивно.[7]

1.5 Методы определения тяжелых металлов

Анализ природных объектов на содержание тяжелых металлов проводится различными методами аналитической химии.

Оптические методы анализа основаны на измерении характеристик оптических свойств вещества (испускание, поглощение, рассеивание, отражение, преломление, дифракция, интерференция, поляризация света), проявляющихся при его взаимодействии с электромагнитным излучением.

Атомная и молекулярная спектроскопия изучают спектральный состав излучения при поглощении (абсорбции), испускании (эмиссии) или рассеянии света.

Абсорбционная спектроскопия основана на использовании способности вещества к селективному (избирательному) поглощению световой энергии.

Эмиссионная спектроскопия основана на использовании способности вещества, находящегося в энергетически возбуждённом состоянии, отдавать энергию возбуждения в виде электромагнитного излучения. Разновидностью эмиссионного спектрального анализа является пламенная фотометрия, основанная на использовании газового пламени в качестве источника возбуждения излучения. Эмиссионный атомный спектральный анализ обладает высокой чувствительностью и позволяет открывать элементы даже при очень небольшом их содержании в анализируемом образце (до 10^-6% и еще меньше). Атомный эмиссионный спектральный анализ особенно широко применяется для открытия и определения металлов в растворах или в твердых образцах.

Пламенная фотометрия (фотометрия пламени). Метод пламенной фотометрии применяется (для открытия и определения химических элементов) в двух вариантах: эмиссионная пламенная фотометрия (пламенно-эмиссионный анализ) и абсорбционная пламенная фотометрия (пламенно-абсорбционный, атомно-абсорбционный анализ). Чувствительность метода довольно высока - до 0,001 мкг в 1 мл анализируемого раствора.

Фотоколориметрия. Метод основан на измерении интенсивности немонохроматического светового потока, прошедшего через анализируемый раствор, с помощью фотоэлементов в фотоколориметрах и в фотоэлектроколориметрах. Световой поток от источника излучения (обычно - лампы накаливания) проходит через светофильтр, пропускающий излучение лишь в определённом интервале длин волн, через кювету с анализируемым раствором и попадает на фотоэлемент, преобразующий световую энергию в фототок, регистрируемый соответствующим прибором. Чем больше светопоглощение анализируемого раствора, тем меньше энергия светового потока, попадающего на фотоэлемент. Концентрацию определяемого вещества в анализируемом растворе находят либо с использованием основного закона светопоглощения, предварительно установив концентрационный интервал его выполнимости при заданных светофильтре и толщине поглощающего слоя, либо методом градуировочного графика. Метод обладает сравнительно высокой чувствительностью и хорошей воспроизводимостью, селективностью, прост по выполнению измерений оптической плотности или пропускания, использует относительно несложную аппаратуру.

Спектрофотометрия. Этот метод, применяемый чаще других и наиболее совершенный среди методов абсорбционного молекулярного анализа, основан на использовании специальных спектральных приборов спектрофотометров, позволяющих регистрировать световые потоки в широком интервале изменения длин волн от ~185 нм до ~1100 нм, т.е. в УФ, видимой и ближней ИК области спектра, и обеспечивающих высокую степень монохроматичности света (~0,2-5 нм), проходящего через анализируемую среду.

Люминесцентный метод анализа. Люминесцентный анализ - совокупность оптических методов анализа, основанных на явлении люминесценции. Люминесценция - свечение вещества, возникающее при его возбуждении различными источниками энергии.

Различают следующие методы люминесцентного анализа:

I. По способу (источнику) возбуждения:

Фотолюминесценция - свечение вещества, возникающее под воздействием излучения в УФ и в видимой области спектра.

Хемилюминесценция - свечение вещества за счет энергии химических реакций.

Рентгенолюминесценция - свечение вещества под воздействием рентгеновских лучей.

Катодолюминесценция - свечение вещества в газовой фазе при бомбардировке его потоком электронов (катодными лучами).

Термолюминесценция - свечение вещества вследствие его возбуждения при нагревании.

II. По длительности послесвечения:

Флуоресценция (спонтанная люминесценция) - свечение, прекращающееся сразу после прекращения действия источника возбуждения. Длительность послесвечения составляет ~10^-6-10^-9 с. Флуоресцирующие вещества называют флуорохромами.

Фосфоресценция - свечение, продолжающееся некоторое время после прекращения действия источника возбуждения. Длительность послесвечения составляет ~10-2-10-3 с.

Одним из наиболее чувствительных и селективных методов определения малых концентраций веществ можно считать люминесцентный (флуоресцентный) метод анализа. Суть его в простейшем виде заключается в следующем. При поглощении кванта света электрон переходит из основного состояния в возбужденное. Переход электрона из промежуточного состояния в основное сопровождается выделением кванта света с большей длиной волны. Специальные оптические приборы фиксируют полученный таким образом спектр люминесценции, и эти данные можно использовать для анализа. Способностью к люминесценции обладают далеко не все элементы и соединения, что обусловливает исключительно высокую избирательность люминесцентного метода; его точность и чувствительность тоже достаточно высоки.

Флуоресцентный анализ - анализ, основанный на использовании флуоресценции определяемого вещества, возбуждаемой энергией излучения в УФ и в видимой области спектра. Флуориметрия - высокочувствительный фармакопейный метод количественного анализа. Его используют при определении очень малых количеств веществ в анализируемом растворе. Предел обнаружения определяемых веществ - весьма низкий: до ~10^-8%. Метод позволяет определять малые концентрации - до 10^-12-10^-15 г/л.

Оптические методы имеют много достоинств: во многих случаях высокую чувствительность, точность, возможность автоматизации измерений, относительную простоту и доступность аппаратуры [8].

Биологический контроль окружающей среды включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы.

Биоиндикация (bioindication) - обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процесса и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Биоиндикаторы (от био и лат. indico - указываю, определяю) - организмы, присутствие, количество или особенности, развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы - условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью.

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы (Agrostis tenuis и др.); цинка - виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspi alpestre и др.); меди и кобальта - смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи.