В последнее время все больший интерес представляет изучение токсического воздействия тяжелых металлов на растения, животных и людей в связи с катастрофически возросшим уровнем загрязнения окружающей среды. Эта проблема особенно актуальна для Казахстана. Металлодобывающие индустриальные комплексы (РЬ, Zn в Ащисае и Лениногорске, Сu в Балхаше, Алмалыке, Жезказгане, Лениногорске, Pb используемый при обработке фосфора, в Таразе и т.д.), были построены в регионах с плодородными почвами и открытыми источниками воды для ирригации. В результате, твердые металлы в высоких концентрациях обнаружены в сточных водах, почве, заброшенных рудниках, городских свалках и отстойниках. Значительная площадь земель, пригодных для использования в сельском хозяйстве, также загрязнена твердыми металлами до крайней степени и их эксплуатация представляется небезопасной.
Среди известных в настоящее время технологий для очистки почв, наиболее перспективной представляется фито очистка (Phytoremediation), где используется природная способность растений аккумулировать в клеточных органеллах корня, стебля и листьев ионы ТМ в виде различных нетоксичных для растений комплексов [1]. Использовать гипераккумуляторы для очистки почвы и воды предложили еще в начале 80-х годов. Однако до практики было еще далеко - во-первых, потому, что биомасса этих растений была невелика, а во-вторых, потому, что не была разработана технология их выращивания.
Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных - близких родственников капусты и горчицы; один из видов горчицы, называемой индийской, или сарептской, оказался весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля.
Повышенный интерес к этой новой технологии объясняется еще тем, что растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, с высокой эффективностью могут быть использованы на больших площадях. Это в свою очередь требует, чтобы используемые для очистки загрязненных почв растения, помимо способности к гипераккумуляции ТМ, были приспособлены к конкретным условиям произрастания [2]. Последнее обстоятельство особенно важно для Казахстана с преобладающим резко континентальным климатом и выраженным отрицательным антропогенным воздействием.
К настоящему времени около 400 видов растений идентифицированы как аккумуляторы токсичных металлов. Некоторые виды растений имеют эволюционно возникшие устойчивые формы, которые могут выживать и процветать на почвах с повышенной концентрацией тяжелых металлов. Существующие естественные растения-аккумуляторы, которые могут накапливать большое количество тяжелых металлов, чаще всего, медленно растут и имеют незначительную биомассу. Для растений, которые можно использовать для фиторемедиации, требуется быстро увеличивать свою биомассу с одновременным поглощением большого количества металлов (как минимум 1-3 % от своего сухого веса).
В связи с этим необходим широкий поиск растений-аккумуляторов ТМ в популяциях злаков, сорняков, хорошо растущих в загрязненных областях Казахстана и разработка технологий для десорбции токсичных металлов из почвы и их аккумуляции в вегетативных органах растений. В последнее время интенсивно проводятся исследования с целью расширения географии использования в сельскохозяйственной практике и медицине, однолетние растения семейства амарантовых (Amaranthaceae). Травянистые растения с мощной корневой системой и надземной частью, с интенсивным ростом и высокой продуктивностью биомассы. Фото ассимиляционный метаболизм С4 позволяет амаранту более эффективно использовать влагу и адаптироваться к условиям засоления и засухе [3]. Виды амаранта широко распространены во многих странах мира, в том числе и в Казахстане. На сегодняшний день амарант характеризуется, как перспективная кормовая культура, с ценными народнохозяйственными признаками.
Тяжелые металлы оказывают различное действие на растения. Они могут выступать в роли микроэлементов, без которых растения не способны существовать или как тяжелые металлы, оказывая губительное действие на живое. К группе тяжелых металлов относится ряд химических элементов, с атомной массой более 40. Не обязательно все тяжелые металлы являются токсичными, так как в эту группу попадают Cu, Zn, Mo, Co, Mn, Fe, т.е. элементы, положительное биологическое значение которых давно обнаружено и доказано. Тяжелые металлы делятся на несколько групп:
1.Очень фототоксичными элементами те, которые оказывают вредное действие на тест-организмы при концентрациях в растворе до 1мг/л. К таким элементам относятся Ag+, Be2+, Hg2+, Sn2+ и, вероятно, Сo2+, Ni2+,Pb2+ и CrO42-.
2.Умереннотокчиными считаются те элементы, которые оказывают ингибирующее действие при концентрациях от 1 до 100мг/л. Эта группа включает арсенаты, бораты, броматы, хлораты, пермангонаты, молебдаты, антимониты, селенаты, а также ионы As, Se, Al3+, Ba, Cd, Cr, Fe3+, Mn2+, Zn2+, и др.
3.Слаботоксичные – те, которые показывают отрицательный эффект при уровнях более 1800мг/л: Cl-, Br2+, I+, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Rb, Sr, Li, NO3-, SO42-и др.
В отдельную группу следует включить радиоактивные изотопы многих элементов и их продукты деления, так как эти элементы представляют немалую опасность для окружающей среды и их поведение в почве и растениях наименее изучено.
Если говорить о тяжелых металлах, как о микроэлементах, то обнаруживается целый ряд положительных сторон. Микроэлементы представляют собой группу незаменимых минеральных элементов, выполняющих важные функции в жизнедеятельности растительных организмов. Их содержание в растениях составляет малые количества. Микроэлементы принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, фотосинтезе, азотном и углеводном обменах, входят в состав активных центров ферментов и витаминов, повышают устойчивость растений к болезням и неблагоприятным условиям внешней среды. Недостаток микроэлементов вызывает ряд заболеваний и нередко приводит к гибели растений.
Содержание минеральных элементов в растениях значительно варьируется в зависимости от следующих причин:
1) доступности и концентрации минеральных соединений в среде (почва, питательные растворы);
2) уровня кислотности среды;
3) условий влажности, температуры, аэрации в зоне корней;
4) возраста растений и анализируемого органа. Зависимость относительно содержания того или иного минерального элемента в растении от уровня его доступности в питательной среде имеет форму кривой насыщения [4].
Важный фактор, определяющий доступность минеральных элементов почвы для растений - это кислотность почвенного раствора. С помощью корневых выделений растения активно воздействуют на тот субстрат, на котором растут. Они могут изменять ионный состав и кислотность почвы, во-первых, из-за различных относительных скоростей поглощения анионов и катионов. Наиболее сильно в этом отношении влияют источники азота: в условиях преимущественного поглощения нитратов корнями pH почвы смещается в щелочную сторону, при поглощении аммония наблюдается подкисление. Во-вторых, из-за выделения в среду образовавшихся при дыхании анионов HCO3-2, которые существенны для уравновешивания поглощенных анионов (в частности NO3), для увеличения подвижности фосфора. В-третьих, с помощью активного транспорта протонов клетками поверхности корня наружу, причем выделяемые протоны – активные участники обменных процессов в почве. В-четвертых, выделениями неорганических соединений калия, фосфорной кислоты (бобовые, гречиха, горчица) и др. В-пятых, выделениями органических, которые могут иметь различную кислотность сами по себе (например, органические кислоты) и в результате использования их микрофлорой ризосферы. Корни растений выделяют значительные количества органических соединений (сахара, органические и аминокислоты, витамины и др.).
К числу интересных растений универсального использования относятся виды рода AmaranthusL., которое признаны Американской Академией Наук наиболее перспективной культурой XXI века. Амарант в различных странах используется для пищевых (зерно, молодые листья), кормовых (зеленый корм для свиней, силос для всех видов скота и птицы) и технических (масло) целей. Высокое содержание белка с адекватным балансом незаменимых аминокислот, витаминов, жиров, крахмала и минеральных солей делает семена амаранта важным элементом в питании людей. По содержанию белков, имеющих в своем составе лизин, и питательной ценности Amaranthuscruentus и другие культурные виды 1,5-2 раза превосходят подсолнечник, кукурузу и другие традиционные культуры.
Виды рода A.lividusL., A.retroflexusL., A.blitum – являются завезенными; A.blitoidusL., A.lividusL., A.albusL., A.blitumL., AretroflexusL. – известны как широко распространенные сорняки; A.panicylatus, A.caudatus, A.tricolor – разводятся как декоративные растения. Важными достоинствами амаранта являются его высокая ритмика роста (особенно при повышенной температуре и солнечной погоде) за счет этого амарант может успешно конкурировать с сорняками, а также его неприхотливость к почвам (за исключением кислых), высокая засухоустойчивость и солеустойчивость, устойчивость к болезням и вредителям, пластичность, легкая адаптируемость к условиям обитания. Было показано, что листья A.tricolorпри pH 6,4 накапливает Al до 562мг/кг почвы. Алюминий, однако, не является необходимым для роста растений, но он считается третьим наиболее распространенным элементом в почве. Были изучены механизмы накопления меди и стронция корнями амаранта, а также накопления As, Cu, Ni, Mn, Zn и Fe в листьях Amaranthushybrids.
Поглощение ионов из почвы или питательного раствора корневыми системами осуществляется разными путями, от которых зависит вероятность поступления иона непосредственно в цитоплазму клеток и скорость его перемещения по тканям и органам растений.
Иммобилизация тяжелых металлов в корневой системе может происходить за счет не метаболического необратимого связывания их ограниченным числом участков, расположенных на поверхности клеточной стенки и вдоль симпласта корней [5]. С одной стороны, необратимое связывание предотвращает передвижение части токсичных ионов по клеткам и тканям растения, с другой - этот процесс способствует установлению концентрационного градиента и позволяет в дальнейшем аккумулировать элемент посредством диффузии.
В случае обратимого связывания иона компонентами клеточной стенки путем обменной физико-химической сорбции, он может пассивно диффундировать в симпласт при наличии концентрационного градиента, что обеспечивает транспорт иона по растению. Участки, задействованные в обменной адсорбции, не обладают селективностью. С их участием поступают Cd, Zn, Сu, Hg и другие металлы. Накопление ионов металлов в свободном пространстве клеточной стенки определяется величиной ионообменного коэффициента, которая в значительной степени зависит от количества гистидильных групп белков, а также карбоксильных групп, размещенных на поверхности пектинов. Обменно-связанная фракция ионов металла легко вымывается из корневых систем растений при замене питательного раствора на не содержащий данный элемент. Проникая через клеточную стенку, одна часть ионов связывается с реактивными компонентами апопласта, другая поступает в цито золь. В случае повышенных концентраций тяжелых металлов в питательной среде указанные механизмы не могут полностью исключить поступление ионов через плазматическую мембрану в цито золь. Транспорт молекул через мембраны осуществляется разными путями в зависимости от химических свойств элементов и их биологической значимости.
Транспортные системы биологических мембран принято разделять на системы ионных каналов и переносчиков. Ионные каналы селективный, они катализируют диссипативный транспорт [6]. Переносчики не обладают высокой избирательностью. При этом вещество соединяется с переносчиком в участке связывания и транспортируется через мембрану, где освобождается в результате конформационных перестроек белка-переносчика. Транспорт ионов часто осуществляется не одним, а системой последовательных переносчиков.
Поступившие в цитоплазму ионы могут связываться там с биомолекулами. В этом случае хелатный комплекс либо выводится из клетки, либо аккумулируется в ней (чаще всего в вакуолях). Аккумуляция токсичных ионов в вакуолях в виде малоподвижных соединений в большей мере характерна для растений, толерантных к тяжелым металлам.
Оставшаяся в цитозоле в виде свободных ионов или растворимых комплексов фракция симпатическим или транс клеточным путем перемещается из корня в побег и далее - в листья растений по заряженным участкам ксилемы, либо увлекается с транспирационным потоком воды. Приведенные выше данные показывают, что не все поглощенные растением ионы активно влияют на его метаболизм. Часть токсичных ионов оказывается прочно связанной с реакционноспособными участками на поверхности клеточной стенки и в апопласте, а проникая через плазмалемму - с внутриклеточными биомолекулами. Какая доля ионов данного металла окажется в свободном виде, а какая — связанной с органическими молекулами, зависит от нуклеофильнойлиганда, pH среды и химических свойств элемента. Стабильность комплексов металлов уменьшается в случае отклонения pH среды от нейтральной реакции: при низких pH в силу конкуренции протона с ионом металла за центры связывания в молекулах, а при высоких - по причине конкуренции гидроксильной группы с лигандом. Важно также учитывать, что многозарядные ионы образуют более прочные комплексы, чем однозарядные, обладающие меньшей плотностью заряда [7].
Таким образом, концентрация поступившего в растение иона сложным образом зависит от качественного и количественного ионного состава среды. Увеличение или снижение числа поступающих в растение ионов определенного элемента в присутствии других ионов или молекул может обусловить неаддитивный биологический эффект в случае сочетанного действия тяжелых металлов и тяжелых естественных радионуклидов.
Соотношение концентраций элемента, находящегося в растении в прочно связанном и подвижном состоянии, обусловливает, очевидно, не только степень влияния данного иона на метаболизм, но также определяет клеточные структуры и связанные с их функцией процессы, подверженные максимальному воздействию со стороны десиканта. Прочно связанные с биомолекулами ионы металлов могут депонироваться в определенных органах, что ограничивает их транспорт и влияние на жизнедеятельность растения. Этот процесс, относимый к механизмам детоксикации, существенно снижает биологическую эффективность тяжелых металлов. Однако следует иметь ввиду, что тяжелые естественные радионуклиды являются не только химически токсичными элементами, но и излучателями. Поэтому, если радионуклид поступил в организм растений и депонировался в прочно связанном состоянии в определенной ткани, он в меньшей мере будет действовать как химический токсикант, нежели как излучатель [8].
Усиление техногенного воздействия на окружающую среду требует детальных исследований поведения загрязняющих веществ в компонентах биосферы. Большую сложность представляет изучение поведения соединений тяжелых металлов техногенного происхождения в почвах.
Наличие разных форм нахождения тяжелых металлов, отличающихся как по подвижности и биологической доступности, так и по механизмам из закрепления в почве, предполагает их более детальное изучение. Для того, чтобы иметь возможность обсуждения проблем изучения форм нахождения тяжелых металлов в почве, необходимо провести определение понятий, которые мы будем использовать в дальнейшем.
В отечественной литературе чаще всего используют такое понятие, как "формы соединений химических элементов в почвах". В почвоведении и агрохимии применение понятия "формы соединений" вполне уместно, когда речь идет о химических элементах, присутствующих в почве в макроколичествах. Нахождение тяжелых металлов в почвах между тем коренным образом отличается от нахождения тяжелых металлов в природных месторождениях. Хотя почвы и наследуют содержание элементов от почвообразующих пород, дальнейшая их судьба существенно меняется. Происходит перераспределение тяжелых металлов между теми почвенными компонентами, которые обладают большим сродством к катионам металлов. Как показывают исследования, проводящийся в течение длительного времени разными авторами, в почве существует набор реакционных центров, способных поглощать ионы тяжелых металлов с образованием связей разной прочности. Традиционные способы выделения из почвы форм соединений тяжелых металлов не отличаются высокой избирательностью именно из-за возможного наличия в почве реакционных центров, близких по своей энергии, но относящихся к разным почвенным компонентам.
Если состав соединения тяжелых металлов с каким-либо почвенным компонентом можно точно идентифицировать, возникает проблема его количественного определения. К сожалению, традиционные аналитические методы, применяемые в почвоведении, часто не обладают достаточной селективностью. Определяемые с их помощью количества "форм соединений ТМ" могут сильно отличаться от их истинного содержания в почве в ту или иную сторону. Например, для оценки содержания тяжелых металлов, связанных с органическим веществом, часто применяют вытяжки из почв с использованием раствора Н2О2 при pH 2. Полученные результаты могут быть завышенными, так как этот раствор способен оказывать сильное воздействие и на минеральные почвенные компоненты, переводя в раствор дополнительное количество ионов тяжелых металлов [9].
Имеется несколько факторов, от которых зависит включение тяжелых металлов в естественный круговорот вещества и определяющих количество разных форм нахождения тяжелых металлов в почвах.
- Многокомпонентное и многофазное строение почвы. Подбирается такой экстрагент, который либо оказывает воздействие лишь на определенный почвенный компонент ("селективный" экстрагент), либо такой экстр агент, который способен переводить в раствор ионы тяжелых металлов, связанные с различными почвенными компонентами (экстр агент "широкого спектра действия"), но обладающие близкой степенью подвижности в почве.
- Наличие в почве тех же самых химических элементов и соединений, которые могут входить в состав техногенных выбросов. Не всегда возможным является сравнение содержания тяжелых металлов в загрязненной почве и в ее фоновом аналоге. Для решения проблемы необходимо подобрать такие методы выделения форм соединений тяжелых металлов, которые позволили бы оценить вклад техногенных компонентов в общее содержание тяжелых металлов в почве, то есть выделить природную и техногенную составляющие.
- Возможность одновременного протекания различных реакций с участием разных почвенных компонентов и компонентов техногенных выбросов. При выборе методов изучения почвенных соединений тяжелых металлов необходимо учитывать, как свойства почв, подверженных техногенному воздействию, так и свойства загрязняющих почву веществ.
- Непостоянство воздействия, изменение интенсивности и вещественного состава техногенных выбросов во времени, а также изменения пространственного распределения загрязняющих веществ.
Можно назвать следующие формы соединений тяжелых металлов, выделяемые из почвы: 1) переходящие в водную вытяжку; 2) обменные катионы; 3) непрочно специфически сорбированные различными почвенными компонентами; 4) труднорастворимые соединения; 5) связанные с органическим веществом; 6) связанные с оксидами и гидроксидами железа и марганца; 7) связанные с алюмосиликатами .
Таким образом, по результатам исследования предлагается лабораторный регламент технологии очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, в частности цинком и кадмием с использованием двух видов амаранта растений-аккумуляторов Amaranthuspaniculatus, Amaranthustricolor.