Вплив важких металів на врожайність сільськогосподарських культур

До важких металів належать більше ніж 40 металів з атомною масою понад 50 атомних одиниць. Відповідно до класифікації М. Реймерса, важкими металами слід називати метали зі щільністю більше ніж 8 г/см³: Cu, Zn, Ni, Pb, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. Деякі з них належать до мікроелементів, тобто хімічних елементів, які вкрай важливі для зростання та розвитку рослин і тварин (Cu, Zn, Co). У рослинах мікроелементи або входять до складу ферментів, або ж активують їхню роботу і потрібні в мізерно малій кількості.

Деякі важкі метали (As, Cd, Hg, Pb) не впливають істотно на ріст рослин, оскільки не мають певних фізіологічних функцій у життєвому циклі рослини. Але такі метали, як Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Zn є життєво важливими елементами для рослин. Надлишок цих елементів може призвести до значного отруєння рослинного організму. Так, наприклад, 1,5 – 2,5 кратне підвищення рухомих форм важких металів (Cu, Zn, Pb, Cd) у ґрунті викликає зниження кількості та якості продукції сільськогосподарських культур. Поглинання важких металів рослинами і подальше накопичення вздовж харчового ланцюга є потенційною загрозою для здоров'я людини і тварин.

Одним з основних шляхів надходження важких металів у рослину є поглинання корінням рослин різних хімічних сполук цих металів (солей, гідроксидів, комплексів і т. д.) з ґрунту.

У 2006 році вибірково були досліджені на вміст промислових токсикантів ґрунти 18 міст України. Високі середньорічні концентрації важких металів (свинцю, кадмію, міді, цинку) у межах 1,1-11,2 ГДК зафіксовано в ґрунтах міст Дніпропетровськ, Ялта, Костянтинівка та Маріуполь Донецької області, Вишневе і Фастів Київської області.

Специфічною особливістю забруднення ґрунтів важкими металами є дуже низька швидкість самоочищення ґрунту. Що стосується свинцю, то його надмірний вміст у ґрунті призводить до зменшення кількості та різноманітності ґрунтових мікробіоценозів. У зв'язку з цим виникає серйозна загроза масової деградації українських чорноземів, зосереджених в областях з розвиненою промисловістю.

В Україні крім чорноземів є ґрунти й інших типів (сірі лісові, дерново-підзолисті, піщані і т. д.), у яких очищення від забруднення важкими металами відбувається ще повільніше, а кумуляція їх, у зв'язку з цим – швидше. Тому навіть невеликі кількості важких металів у ґрунтах можуть призвести до небезпечного забруднення сільськогосподарської продукції.

Потрапляючи з ґрунту в рослини через кореневу систему, важкі метали можуть переміщуватися активно (метаболічним шляхом) або пасивно. У першому випадку поглинання і переміщення іонів металів здійснюється за системою, що складається з протопластів клітин, пов'язаних плазмодесмами. При пасивному транспорті іони, досягнувши поверхні кореня, потрапляють у вільний простір кореня і далі з транспіраційним струмом пересуваються по рослині. З активним транспортом по рослині пересувається частина металів, які виконують деякі біологічні функції (мідь, цинк, кобальт і ін.), а також метали, які хімічно подібні до необхідних елементів (кадмій є хімічним аналогом цинку). Проте більшість металів, особливо ті, які не є необхідними для рослин (свинець), переміщуються за допомогою дифузії. Контактуючи з клітинними стінками та рядом мінеральних і органічних сполук, що містяться у клітинах, метали осідають і втрачають біологічну активність. В той самий час, коли відбувається забруднення ґрунту великою кількістю металів, деяка їх частина здатна обминати захисні системи рослин і токсично впливати на них.

У результаті можлива поява візуальних ознак токсичності. Основні ознаки пригнічення рослин під впливом токсикантів неспецифічні та проявляються в основному в зниженні схожості насіння, уповільненому зростанні, ненормальному розвитку кореневих систем, хлорозі, в'яненні, загибелі рослин. Однак у сільськогосподарському виробництві слід враховувати, що візуальні ознаки токсичності починають проявлятися, коли концентрації токсичних елементів значно перевищують санітарно-гігієнічні нормативи, встановлені для продукції рослинництва. При цьому вміст елементів у ґрунті, за якого з'являються ознаки фітотоксичності, також значно перевищують ГДК.

Так, ознаки ртутного отруєння проявляються при концентрації елементу в ґрунті 25 – 50 мг/кг (ГДК 2,1 мг/кг), кадмієвого – при 25 – 100 мг/кг (ОДК 0,5 – 2,0), свинцевого – 250 – 2000 мг/кг (ОДК 32 – 130 мг/кг), миш'якового – при 25-50 мг/кг (ОДК 2 – 10 мг/кг). Тому візуальна діагностика забрудненості ґрунту та рослин металами не має сенсу.

Всі рослинні (і тваринні) організми потребують постійного поповнення мікроелементами. Проте ці мікроелементи повинні вводитися в живий організм у біологічно активній формі, здатній легко транспортуватися і засвоюватися. У природі рослини отримують такі елементи у вигляді розчинних солей, присутніх у ґрунті. Та це малоефективно і значно кращого результату можна досягти, якщо використовувати біологічно активні комплексони. Прикладом таких комплексонів може бути ЕДТА (етилендіамінтетраоцтова кислота). Однак застосування ЕДТА пов'язане з певними ризиками. Цей комплексон може зберігатися в ґрунті без зміни протягом багатьох років, продовжуючи постачати в рослини з ґрунту різні метали (у тому числі й важкі), утворюючи з ними добре розчинні комплекси. Важкі метали, що знаходяться у ґрунті у вигляді солей, зазвичай погано засвоюються рослинами. Утворення ж комплексів ЕДТА з важкими металами призводить до інтенсивнішого поглинання їх рослинами, що буває вкрай небажаним.

Таким чином, застосування ЕДТА (і подібних до нього комплексонів) вимагає великої обережності. Більш ефективними могли б бути комплексони, які піддаються у ґрунті біодеструкції і не накопичуються з часом. Це дозволило б виключити безконтрольне видобування рослинами з ґрунту важких металів.

Самусенко Ю.В., кандидат хімічних наук