Дипломная работа: Співвідношення особливостей накопичення важких металів в овочах та фруктах в умовах великого міста

Уявлення про обов’язкову токсичність ВМ є не вірним, бо до цієї групи входять мідь, цинк, молібден, марганець, залізо, тобто елементи, які мають позитивне біологічне значення. Мікроелементи та ВМ – це поняття, що відносяться до одних і тих же елементів, але використовуються в різних значеннях, що характеризують перш за все їх концентрацію в ґрунті або рослинній продукції [19, 20]. Однак існує група металів, за якими закріпилось лише одне негативне поняття –«важкі» у розумінні «токсичні». Ця група включає ртуть, кадмій, свинець [21]. За загальним уявленням їх вважають найбільш небезпечними забруднювачами навколишнього середовища.

Оскільки рослинна продукція є незамінною у раціоні харчування людини, то разом з нею небезпечні хімічні речовини потрапляють до організму людини. Практично всі метали є загальнопротоплазматичними отрутами, які здатні утворювати комплексні сполуки з компонентами клітини, білками, амінокислотами [21]. Багато металів утворюють зв’язуються з сульфгідрильними групами, які відіграють важливу роль у перебігу багатьох фізіологічних та біохімічних процесів [22]. Важкі метали мають здатність накопичуватись у різних органах, бо дуже повільно виводяться з організму. Так, період біологічного напіврозпаду свинцю в організмі людини складає декілька років. У зв’язку з цим вживання рослинної продукції, навіть, вирощеної на слабко забруднених ґрунтах здатне викликати кумулятивний ефект [21, 23] і призвести до погіршення стану здоров’я людини.

Одним із основних джерел забруднення усіх компонентів довкілля, в тому числі рослинності, важкими металами є автотранспорт.

Зазвичай, процес згорання палива не добігає кінця і продукти неповного згорання, а також картерні гази і пари палива потрапляють у атмосферу [3, 24]. ККД двигунів внутрішнього згорання складає в середньому близько 23 % [29]. Автомобіль також забруднює повітря продуктами зношування шин, тормозних колодок і т. п. [25, 26]. В Україні – автотранспорт дає понад 30 – 40% усього забруднення атмосфери [27].

За різними даними у відпрацьованих газах автотранспорту міститься від 200 до 280 шкідливих елементів, в тому числі оксид вуглецю, вуглеводні, кислотовмісні альдегіди, сажа, оксиди азоту, сполуки свинцю, цинку, кадмію, сполуки сірки, поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАУ) та ін [28, 29].

Бензин, автомобільні мастила та шини вміщують Pb, Cd, Ni та Zn, що пояснює підвищений вміст цих елементів у пробах придорожньої рослинності [22]. Так, наприклад, один вантажний автомобіль середньої вантажопродуктивності виділяє 2,5 – 3,0 кг свинцю на рік [3]. За оцінками вчених, викиди автотранспорту дають близько 50% загального неорганічного свинцю, що потрапляє в організм людини [22, 29].

Таким чином, автотранспорт є джерелом великої кількості шкідливих речовин, які здатні впливати на здоров’я людини не лише прямо, а й опосередковано – через продукти харчування. Ця проблема характерна і для України вцілому, і для Харківського району, оскільки велика частина сільськогосподарських угідь та присадибних ділянок розміщені у безпосередній близькості від автомобільних доріг. Тому вивчення особливостей автотранспортного забруднення рослинної продукції є надзвичайно важливим завданням.

Дослідженнями американських вчених [Ward N. I., Reeves R. D., Brooks R. R., 1975 p.] було доведено адекватність забруднення прилеглих до автомагістралей ґрунтів металами, які містяться у викидах автотранспорту [19]. Вміст кадмію, нікелю, свинцю та цинку в ґрунтах та траві біля автомобільних трас є функцією відстані від лінії дорожнього руху та глибини профільного шару ґрунту [22].

Автотранспортом забруднюється відносно вузька смуга землі шириною 50 – 200 м з обох сторін дороги [2]. Вже за межами 150 м вплив автостради зазвичай стає незначним [19, 30]. За даними В.П. Кучерявого (2001), одержаним під час досліджень ґрунтів м. Львова, ґрунти та рослинність поблизу потужних транспортних комунікацій містять підвищені концентрації цинку, олова, міді, молібдену, кадмію [31]. На поверхні землі поблизу доріг з високою інтенсивністю руху концентрації металів можуть складати в середньому: кадмію – 1,67млн-1; міді– 64; марганцю – 330; цинку – 164; заліза – 10664млн-1 [2] Встановлено також, що 57-74 % свинцю та ртуті при антропогенному забрудненні закріплюється в шарі 0-10 см і тільки 3-8 % мігрують на глибину 30-40 см (Зирін М.Г.) [32].

Умови та сам процес міграції важких металів у природному середовищі та транслокація їх у рослинній продукції надзвичайно складний бо залежить від багатьох факторів: типу та віку рослин, умов росту рослин, хімічного характеру металу, наявності бар’єрів і т.д. [33].

Дослідженням особливостей міграції важких металів до рослин займалися L.J. Miles, G.R. Parker [34], Ю.В. Алексєєв [2], В.А. Ковда [20], Дуглас П. Орморд [22], А. Кабата – Пендиас, Х. Пендиас [30], В. Б. Ільїн [19], Т.Ю. Биндич [7], О.О. Галаган [35], А.І. Фатєєв [36], В.А. Єрмолаєва [37], та ін.

Відомо, що надходження важких металів у тканини рослин можливе в результаті аеральних емісій металовмісних аерозолів та надходження ВМ в тканини рослин із ґрунтового розчину через коріння [19, 22].

Зовнішнє забруднення рослин важкими металами, тобто надходження їх з повітря, може відбуватися шляхом проникнення аерозолів, що містять важкі метали до внутрішніх органів рослин [33]. Поверхня рослин забруднюється металовмісними аерозолями, і деякі елементи можуть абсорбуватися на них. За дослідженнями Дугласа П. Орморда забруднення рослинності Cd, Pb, Ni, Zn у промислових та приміських районах відбувається в основному за рахунок осадження цих елементів з атмосфери [22].

Деяка кількість аерозольних частинок може проникати до рослини через устячка листової поверхні [35]. Більшість аерозольних частинок промислового походження мають діаметр менше 1 мкм, а діаметр устячних отворів 5 – 30 мкм, тобто проникнення через них можливе. Мало відомий механізм включення хімічних елементів до розчину на поверхні листя. Деякі хімічні елементи у вигляді відносно нерозчинних окислів можуть абсорбуватися через поверхню листя у розчин [2]. Таким чином існує небезпека фолікулярного (через листову поверхню) поглинання важких металів з наступною їх транслокацією. Проте є й варіант змиву аерозолів з листя атмосферними опадами.

Досліди Кабата-Пендіас А., 1989 свідчать, що швидкість поглинання мікроелементів у тканинах рослин значною мірою залежить від природи хімічного елемента. Так, фолікулярне поглинання характерне для заліза, марганцю, цинку та міді, тоді як свинець змивається дощовою водою [34].

Також існує поняття вибірковості поглинання хімічних елементів рослинами з повітря [27]. Свинець залишається в основному як поверхневі відклади чи поверхневе аерозольне покриття на поверхні рослин, в той час як цинк та кадмій частково проникають до листка. Що стосується абсорбції та мобільності Mn, Fe, Cu, Mo, то вони займають проміжне положення і мобільність їх знижується у наведеному порядку [30].

Особливості надходження ВМ до рослинної продукції з викидами автотранспорту описано у роботах американського дослідника Дугласа П. Орморда, (1988). Зі збільшенням відстані від автотраси їх вміст Pb, Ni, Zn в зразках придорожньої рослинності знижується [27]. Зниження рівня Pb в рослинності апроксимується експоненційною функцією відстані. Оцінка цієї моделі дослідником Дугласом П. Ормордом була розширена до розвитку подвійної експоненційної функції для розподілу Pb. Перша експонента асоціювалася з великими за розміром частинками, які швидко осаджуються на відстані 5 м від шосе, а друга – з меншими частинками, які осаджуються повільніше на відстані до 100 м від шосе. Свинець, що міститься у цих менших частинках, може бути більш розчинним і у зв’язку з цим простіше потрапляє до рослин і погіршує їх якість. Крім того, є ще третя фракція, яка не осідає так швидко. Найбільш дрібні аерозолі Pb проходять великі відстані в загальних потоках повітря. Вважається, що значна частина Pb з вихлопних газів належить до цієї стійкої фракції.

Великого значення при зовнішньому забрудненні рослин набувають також кліматичні умови регіону та погодні умови вегетаційного періоду, оскільки від них залежать напрямки перенесення забруднюючих речовин, можливість змиву аерозолів з поверхні листка чи їх розчинення, стан устячок і т.д. [8]. Аналіз виборки дерев (листя, кора і осердя стовбура) показав, що напрямок переважаючого вітру впливає на розподіл викидів свинцю; на сторонах дерев, повернутих до шосе, рівень свинцю вище [22]. Швидкість вітру, а отже, концентрація частинок швидко зменшуються від краю пологу рослинності. Концентрації мікроелементів (у тому числі важких металів) звичайно є вищими на захищеній стороні дерев у порівнянні з незахищеною внаслідок більшого осадження аерозолів з повітря, що рухається повільно [Little P., Martin M. 1972].

Поглинання хімічних елементів листям, зазвичай, обмежене. Це доведено експериментально [22] при експонуванні листя в умовах мокрого осадження – поглинання хімічних елементів корінням з ґрунту було вищим, ніж поглинання листям. Значною мірою це залежить від особливостей будови листка рослини, товщини кутикули та кількості устячок, тобто видових особливостей рослини.

Внутрішнім шляхом (із ґрунту через кореневу систему) метали потрапляють до рослинної продукції разом з поживними речовинами. Ґрунт – це специфічний елемент біосфери, він не тільки акумулює важкі метали, але й виступає як природний буфер. Він здатний трансформувати сполуки металів, зв’язувати їх в менш доступні форми, тим самим знижуючи їх надходження до рослин [7, 12].

Ступінь трансформації важких металів та доступність їх рослинам залежить від рН ґрунтового розчину, типу ґрунту, біологічних особливостей рослини [9]. Так, дослідження Ільїна В.Б. [19] показують, що кадмій, свинець, цинк, нікель, мідь рухливі лише у кислому середовищі, при залужуванні їх рухливість різко зменшується. Тобто знову постає фактор вибіркового поглинання хімічних елементів рослинами з ґрунту, як і у випадку надходження їх з атмосферного повітря.

Різні типи ґрунтів характеризуються різною здатністю до самоочищення, тобто мають різну буферність [9, 19]. В ґрунті важкі метали присутні у двох фазах – твердій та рідкій (ґрунтовому розчині). В твердій фазі вони знаходяться в обмінному та фіксованому стані: входять до складу тонкодисперсних мінеральних частин та гумусової речовини, являють собою складову частину нерозчинних солей. В ґрунтовому розчині ВМ присутні у формі розчинних та органо-мінеральних солей [20, 38]. Форма існування металів, які потрапили в ґрунтовий розчин, залежить, насамперед, від його хімічного складу (головним чином аніонної частини та розчинної органічної речовини і реакції середовища) [36]. В кислих ґрунтах в ґрунтовому розчині присутня досить мала кількість аніонів мінеральних кислот та багато органічної речовини фульватного типу [39]. У зв’язку з цим можна передбачити, що важкі метали, які надійшли до ґрунтового розчину кислих ґрунтів, утворюють, в основному, розчинні органо-мінеральні комплекси. В ґрунтах з нейтральною реакцією середовища, наприклад, у чорноземах типових, у складі легкорозчинних мінеральних солей переважають бікарбонат і сульфат кальцію [40]. Наявність в ґрунтовому розчині значної кількості кальцію призводить до різкого скорочення частини нерозчинної фракції гумусу. Тому свинець, кобальт, кадмій, потрапляючи до ґрунтового розчину, взаємодіють, в основному, з мінеральною частиною, утворюючи нерозчинні й слаборозчинні карбонати й сульфати [41].

Надходження металів до рослин визначається також їх біологічними особливостями: наявністю органів запасання асимілянтів; ступенем адаптованості виду рослини до забруднення; видовими та сортовими особливостями рослини; віку рослини; глибини та ємності поглинання кореневої системи; фізіологічною потребою у певному хімічному елементі [35]. По стійкості до забруднення рослини поділяються на: найбільш стійкі – зернові, соняшник; середньостійкі – буряк, картопля, морква, томат, перець; слабкостійкі – салат, однорічні трави, багаторічні бобові трави, кукурудза [2].

Концентрація ВМ значно залежить від частини рослини, що розглядається, причому вміст їх в садових плодах нижче, ніж у листових овочах чи коренеплодах. Спостерігались також видові різниці серед листових овочів [22]. Так, для біоіндикації забруднення важкими металами може використовуватись листова капуста (Brassica oleracea), яка накопичує в листках залізо, свинець [18].

Дослідження Бокач Т., 1980 [33] показують, що кількість елементів зменшується від коренів до плодів (різниця до 500 – 600 разів). Це підтверджуються дослідами Ільїна В.Б. (1991). За його даними найбільша кількість важких металів акумулюється в коренях рослини, найменша – в плодах та органах запасання асимілятів [19]. Це свідчить про наявність у рослин захисних механізмів, які перешкоджають надходженню надлишкових кількостей важких металів: морфологічних структур, вакуолярних депо, затримання пояском Каспарі, хімічних реакцій неспецифічної природи [33]. Так, наприклад, експериментальні дані [Соболев и др.,1982] показали, що при надлишковому надходженні кадмію в рослині розпочинається посилене продукування амінокислот [33]. Амінокислоти необхідні, за думкою дослідників, безпосередньо для переведення кадмію в нетоксичну форму або для синтезу спеціального білка – металлтіоніна, який зв’язує кадмій [22]. Головним чином ці захисні механізми спрацьовують при внутрішньому кореневому забрудненні.

Крім того, вміст важких металів у плодах різного розміру також неоднаковий (Пономарьов П.Х., Сихроман І.В.,1999) [33].

Транслокація металів в рослині значною мірою залежить від її віку. Беус А.А, Грабовська П.І., Тихонова П.В. (1989) довели, що найбільш енергійно поглинання мінеральних речовин відбувається в молодих частинах рослини. Переміщення металів всередині рослини обумовлюється хімічними особливостями елементу – так, кадмій, цинк, свинець малорухливі, а мідь – надзвичайно рухлива [33, 34].

Отже, питання шляхів надходження та особливостей накопичення важких металів у рослинній продукції і досі не має чітко визначених положень та закономірностей. На підставі аналізу літературних джерел можна зробити висновок, що кожен із вчених займається лише окремими питаннями, чітких же висновків щодо шляхів надходження металів та їх транслокації в рослині зробити неможна.

Вміст певних хімічних елементів багато в чому залежить від біологічних зв’язків між елементами в організмах. Зміна концентрацій одного елементу в організмі викликає зміну вмісту іншого (інших) хімічних елементів. Це пояснюється, як біологічною функцією цих елементів в організмі, так і особливостями будови іонів поглинаючих елементів.

Так, наприклад, чіткий зв'язок між Pb і Мо в рослинах може пояснюватися біологічною функцією цих елементів. При незначних надходженнях Pb в рослини в ній збільшується вміст Мо. Це пояснюється так: Мо входить до складу численної групи ферментів енергетичного обміну кліток, а Pb їх інгібірує. Таким чином можна вважати, що позитивна кореляція вмісту цих металів в рослинах є свідченням нормальної життєздатності організму, що відповідає посиленим утворенням ферментів на токсичний Pb.

Надлишкове надходження Pb в рослини порушують раніше існуючі зв’язки. Розвиток організму значно погіршується, а кількість Мо, необхідного рослині, зменшується. Починає проявлятися негативна кореляція між вмістом металів[18]. Результатом цього є утворення є негативні біохімічні аномалії Мо в рослинах, що ростуть на ділянках с техногенним забрудненням ґрунтів Pb.

У багатьох організмів яскраво виражений біологічний бар’єр накопичення для певних хімічних елементів. Ті ж з них, в яких він відсутній, при значному збільшенні хімічних елементів в живильному середовищі чи в продуктах харчування гинуть .

Значна частина елементів попадає в організми в іоній формі і розподіляється в них згідно з особливостями іонів. Для рослин одним із основних показників є коефіцієнт біологічного поглинання (КБП). Він представляє собою відношення вмісту певного хімічного елементу в золі рослин до вмісту цього ж елементу в живильному середовищі. КБП може визначатися для рослинних організмів біосфери в цілому, а також для певного виду рослин як в біосфері, так і в певному регіоні. Найбільш загальну (біосферну) інформацію надає КПБ рослин в цілому. Він визначається по відношенню середнього вмісту хімічного елементу в рослинах до кларка літосфери.

Специфіка розподілу важких металів в рослині полягає в тому, що за ступенем насиченості ними тканини основних органів рослин розташовуються в ряд: корені > листя та стебла > насіння > плоди .

Для проведення досліджень згідно поставленого завдання було відвбрано пробі вовчих ягід та диких яблук та грунту з-під цих дерев.

ВОВЧІ ЯГОДИ — збірна, народна назва ряду рослин, плоди більшості яких має токсичні або дратівливі властивості: Беладонна, або Красавка звичайна[1] (отруйна) Дереза звичайна (не отруйна) Волчеягодник[2] (сильно отруйний!) Вороняче око[3] (отруйний) Жимолость звичайний[4][5] (не отруйна) Жостір ламка[6] (свіжі плоди володіють блювотною дією) Снежноягодник (отруйний) Вовчими ягодами називають також і інші чагарники і трави з червоними і чорними (і навіть білими) ягодовіднимі неїстівними або отруйними плодами, наприклад, бузину червону (її плоди не є ягодами, але соковитими кістянками); з трав — Воронець і др.

Проте, слід враховувати, що не всі види є отруйними.

ЖИМОЛОСТЬ (Lonicera L.) — чагарники прямостоячі, в'юнкі або повзучі, з супротивним цілісним листям, головні представники сімейства жімолостевих (Caprifoliaceae — див. вищий). Відомо більше 100 видів майже у всіх областях північної півкулі, а всього більш з Гімалаїв і Східної Азії. У Росії дикорослих 14 видів. Досить великі квітки (білі, рожеві, жовтуваті і блакитні) розташовані всього частіше попарно в кутах листя або на кінцях гілок в голівчатих соцветіях. Із слабо розвиненої чашки виходить неправильний (у більшості) трубчастий віночок, на кінці розділений на 5 долею; неправильність кольорів, побудованих по п'ятірному плану, залежить від зрощення трьох передніх пелюсток і нерівномірного їх розвитку, унаслідок чого віночок є двугубим; у трубці віночка 5 тичинок і довгий стовпчик товкача. Ягодоподібні плоди сидять попарно, а незрідка і зростаються один з одним. Верхнє листя в деяких видів (а в інших і все) зростається разом, утворюючи одну загальну розвиненої чашки виходить неправильний (у більшості) трубчастий віночок, пластинку або широку облямівку, крізь яку проходіт кінець гілки з кольорами. Багато видів дуже часто розлучаються в садах як красиві декоративні чагарники, добре придатні для груп, алей і альтанок; російські види квітнуть на початку літа, тобто в кінці травня і до середини червня. В Україні досить часто зустрічається по узліссях лісів і по гаях з жовто-білими кольорами і червоними ягодами, листя знизу пухнасте. Розлучається часто в садах, але дико не зростає. Інша, татарська Ж., Lonicera tatarica L., з рожевими кольорами і гладким листям, давно розлучається в садах, частіше попередньою, а дика відома лише по Середній Волзі. В'юнка і пахуча L. Caprifolium L. (Же. запашна, козина, Шевр-Фель), родом з Південної Європи, у нас за Кавказом удосталь. Також подекуди в Криму і Бесарабії, з червонуватими або білими кольорами, при відцвітанні жовтіючими: ягоди червоні. Найпівнічніша дикоросла російська форма є Ж. блакитна, L. coerulea L., з жовтуватими, майже правильними кольорами і голубуватими ягодами, утвореними кожна з пари зрощених плодів; найпівнічніша європейська, така, що не попадається зовсім дико в Росії, але що розводиться, є Periclymenum L., в яких листя ніколи не зростається разом (Же. жирна, папороть запашна). У садівництві відомо ще декілька американських видів. В садівництві відомо ще декілька американських видів. У нас відомі ще Ж. грузинська, L. iberica М. Ст, з червоно-жовтими кольорами, і Ж. кавказька, L. caucasica Pall., з пурпуровими кольорами; плоди в першого червоні, в другого чорні; обидва види мають дуже щільну деревину, придатну для дрібних токарних виробів. У горах Хингана, поблизу р. Амура, відкрита Ж. Максимовича, L. Maximowiczii Rupr., мало вивчена, як і інші з тієї ж багатої, але маловідомої місцевості.

ВОРОНЯЧЕ ОКО (воронячі ягоди, вовчі ягоди, хрест-трава; Paris L.) — рослина із однодольних і сімейства лілейних. Вельми цікава тим, що має протирічча загальному закону, по якому в лілейних, та і в однодольних взагалі, число частин квітки має бути трійчасте або кратне трьом (див. Лілейні). Всупереч цьому, в Paris видимий на стеблі 4 овальних аркуша нижче за квітку і далі по 4 члени у всіх частинах квітки, що походить від недорозвинення. Вся рослина висотою не більш за напіваршин. Зелена квітка складається з 4 чашолистків, 4 пелюсток (інколи тих і інших разом буває 4-6), 8 тичинок і 4-5-гнездной зав'язі, що перетворюється на чорну ягоду; зустрічаються екземпляри з 5 листям і п'ятірним числом частин квітки. Багатолітник з повзучим кореневищем. Вигляд Р. quadrifolia L., Ст четверолістний, зростає в тінистих лісах всієї Середньої Європи і помірної Азії ка Камчатки; всього в роду до 6 видів; на Кавказі водиться неповний B., Paris incompleta, а в Гімалаях — багатолисте Ст, Р. polyphylla, з 8-10 листям під квіткою і 4-5-долинними кольорами. У народній медицині і забобоні грає велику роль.

ВОЛЧНИК, вовчі ягоди, вовче лико, лаврушка (Daphne Mezereum L.) — невеликий чагарник з сімейства ягодникових (Daphnoideae Vent, Thymelaeaceae Meisn.) 2-3 фути висоти, що дико виростає в північній Росії, на Уралі і Кавказі (де піднімається в горах до висоти 5000-7000 футів). Хоча луб з гілок уживається інколи на плетіння жіночих капелюшків і різних інших дрібних виробів, але, як отруйне рослина, вона є небажаним в господарстві, оскільки часто тваринні, такі, що випускаються на лісові пасовища, отруюються ним; всі частини , особливо ж кора і ягода, відрізняються гострими властивостями, і перша з них, будучи прикладена до тіла, викликає утворення міхурів — нариває, як мушка. Завдяки красі і пахучості своїх ранніх рожевих кольорів, що сидять по 3-5 на боках гілок і листя, що з'являється до розпускання, розлучається інколи в садах. На Кавказі зустрічається ще шість інших видів Ст (D. caucasica Pall., D. oleoides Schreb., D. sericea Vahl., D. acuminata Boiss., D. glomerata Lam. і D. pontica L.), що не мають господарського значення.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10