БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

Многие микроэлементы за миллиарды лет формирования различных форм жизни стали абсолютно необходимыми для организмов (йод, цинк, медь, марганец, молебден, бор и др.). Без этих элементов организмы, даже полностью обеспеченные макробиофилами (углерод, кислород, водород, азот, калий, фосфор, кальций), не могут нормально развиваться (табл. 62).

Однако многие рассеянные элементы (включая и необходимые) в аномально высоких концентрациях являются угнетающими и токсическими для растений, животных, человека. Поэтому определяющее значение имеет уровень концентрации элемента, форма его соединений, а также соотношение с другими элементами.

В общем виде практически для каждого элемента приходится различать (кроме формы соединений и соотношения с другими) четыре уровня концентраций: дефицит элемента, когда организм страдает от недостатка, оптимальное содержание, способствующее хорошему состоянию организма, терпимые концентрации, когда депрессия организма лишь начинает проявляться, и концентрации губительные (фатальные) для данного организма.

Среди токсических элементов микроэлементами наиболее низких безвредных концентраций являются бериллий, кадмий, ртуть, селен. Их допустимая концентрация характеризуется величинами 0,1—5 мг/кг. Диапазон и уровень безвредных концентраций для мышьяка, свинца, меди, бора, никеля, олова примерно на порядок выше - 2-5-10—20 мг/кг. Еще выше этот показатель для ванадия, никеля, цинка, фтора, хрома - 10—20—50— 200 мг/кг.

Обращает на себя внимание, что так называемые ’’терпимые” концентрации для микроэлементов наибольшей токсичности составляют 10-20 мг/кг, но для ртути, кадмия и бора терпимые концентрации еще ниже (не выше 5 мг/кг) . Разброс этих данных и широкие диапазоны «’’терпимости” свидетельствуют об огромном значении общего геохимического фона (соотношения с другими элементами), форм соединений, видов и сортов растений, условий погоды. Так, селен может уменьшить токсичность мышьяка, кадмия, ртути, таллия и, наоборот, токсичность селена может быть смягчена или увеличена присутствием мышьяка, меди, германия.

При решении проблемы концентрации и соотношения микроэлементов следует учитывать реакцию не только растений, но и животных. Для животных из общего числа элементов 50—60 считаются необходимыми, конечно, в микроконцентрациях: фтор, кремний, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, мышьяк, селен, молибден, свинец, йод.

Отрицательный эффект высоких концентарций микроэлементов зависит не только от общего содержания, но и от типа почв и вида растений. Сильнее токсическое действие тяжелых металлов сказывается на кислых подзолистых почвах. Слабее оно проявляется на окультуренных подзолистых почвах и еще меньше — на черноземах. Вероятно, одной из причин этого является интенсивное поглощение металлов глинистыми минералами и гумусом почв. Перечень физиологически необходимых для растений микроэлементов все же значительно шире, чем считалось прежде.

Итак, бесспорно, что для создания биомассы растений почвенный покров нуждается в широком и разнообразном составе микроэлементов. Их может не хватать в особо кислых, выщелоченных или в истощенных почвах. Но при избытке, вызванном геохимическими условиями или техногенными факторами, они могут быть токсичны. Нужна большая био геохимическая осведомленность о микроэлементах не только в почвах, но и в водах, растениях и пище. Последнее особенно важно. Интенсивность биологического накопления большинства тех же элементов в организме человека (см.

Организмы и почвообразование активно влияют на геохимию макро- и микроэлементов. В табл. 63 приведены обзорные данные, оформленные в нашей интерпретации и группировках, характеризующих направленность биогеохимических процессов, вызванных живым веществом. Почвы по сравнению с составом земной коры, как и следовало ожидать, значительно обогащены азотом и углеродом (К - 100 и 1000 соответственно). Это же характерно для химического состава растений по сравнению с почвенным покровом; но интенсивность биогенного обогащения С и N у растений выражена на порядок выше (1000 и 10 000). При этом фосфор аккумулируется в растениях с большей интенсивностью, чем в почвах.

Эти данные еще раз подтверждают положение об исключительно важном значении С, N, Р в плодородии почв и формировании биомассы растений. Следует отметить весьма высокие индексы накопления в растениях Вг, Cl, Mn, S, Cd и заметное обогащение биомассы растений (К « 10 -г 100) многими микроэлементами, включая и те, которые при повышенных концентрациях справедливо считаются токсическими (Be, Sr, Hg, Pb, Mo, Cu, Ni).

Накопление микроэлементов в почвах, естественно, выражено слабее, чем в растениях (на порядок ниже). Но все же и в изученных почвах мира обнаруживается некоторое (с индексом 1—10) накопление 25—24 микроэлементов, в том числе и тех, которые при повышенных количествах токсичны. Этими же порядками величин (К « 1 -г 10) накопления характеризуются в почвах и некоторые макроэлементы: Са, Al, Si, S, К. Они, впрочем, характеризуются более интенсивным накоплением в составе растительной биомассы.

Естественно, что для разных элементов, форм их соединений, а также организмов конкретные величины оптимальных и токсических концентраций различны. Их необходимо устанавливать с помощью тщательных лабораторных и полевых исследований на местах.

Особенно это необходимо в современную индустриальную эпоху, когда окружающая человека среда интенсивно перегружается разнообразными соединениями макро- и микроэлементов, поступающими в виде газов, аэрозолей, жидких и твердых отходов.

В настоящее время каждый город, поселок, шахта, завод, магистральная дорога, нефтепромысел, теплоцентраль являются источником распространения повышенных концентраций различных микроэлементов и в геохимическом смысле неоаномалийным локальным образованием.

Аномалии, вызванные отходами индустриальных предприятий, существенно сказываются на расстоянии до 10—15 км. В ослабленной форме, особенно в направлении сильных ветров и водного стока, дальность загрязнения проявляется на расстоянии 30—50 км (см. рис. 81, табл. 57).

Органические и летучие соединения ртути, селена, теллура, мышьяка, свинца, таллия, палладия, образующиеся в выхлопных газах автомобилей, особо тревожат исследователей в связи с загрязнением воздуха, почв, воды, пищи. В современных городах и индустриальных центрах концентрация этих элементов в воздухе и почвах почти всегда превышает допустимые уровни. Избыток или недостаток определенных микроэлементов или их групп вызывает специфические заболевания человека, животных и растений (табл. 63),

Так, эндемический зоб у человека связан с дефицитом йода, особенно если это сопровождается недостатком меди, кобальта или избытком марганца. Повышенные концентрации некоторых микроэлементов (кадмий, цинк и кобальт, никель) вызывают канцер. Напомним, что канцерогенны также нитраты, полициклические ароматические углеводороды. Дефицит меди в сочетании с дефицитом железа, цинка, кобальта вызывает анемию.

Избыток ртути и кадмия в почвах, водах и пище вызвал в Японии тяжелые болезни человека — Минамата, Итаи-Итаи (рис. 86, 87). То же обнаружилось в некоторых районах Скандинавии и Северной Америки.

Дефицит железа, марганца, цинка часто (особенно на карбонатных почвах) вызывает хлороз растений. Есть указания на то, что дефицит меди отзывается на задержке образования в организмах каталазы, гемоглобина, что способствует серьезным заболеваниям человека.

Крайне сложна и противоречива биологическая оценка селена. Его токсичность при повышенных концентарциях отмечена во многих регио-

Таблица 63.Значение избытка (+) и недостатка (-) микроэлементов в питании животных и человека (Ковальский, 1974; Voisin, 1959, и др.)

нах Америки, Европы, Австралии. Большинство растений не накапливают селен (не более 0,05—0,10 мг/кг Se).

Подкисление почв индустриальными атмосферными выпадениями и физиологически кислыми удобрениями способствует усилению токсичности ртути и одновременно потере почвой запасов меди и селена, что увеличивает предпосылки заболеваний, связанных с дефицитом этих элементов.

В биогеохимии почв формируется очень важное новое направление исследований: выяснение связей между здоровьем, питанием человека и геохимическими особенностями почв и питьевых вод. Нет сомнений в том, что такие связи существуют, так как трофические (пищевые) цепи начинаются от почв и питьевой воды и включают в себя растительные и животные звенья. Эти связи, конечно, очень сложны.

Рис. 86. Распределения кадмия в почвах рисовых полей Японии, мг/кг

1 ~ lt; 3,0; 2 — 2,0—2,9; 3 — 1,0—0,9; 4 — gt; 0,9 (Fukushima, 1973)

Рис. 87. Заболеваемость женщин старше 50 лет Итаи-Итаи. Число заболеваний на 1000 чел.

1 - gt; 20; 2 - 10-19; 3 - 1-9; 4-0 (Fukushima, 1973)

Перемещение жителей, экспорт и импорт продовольствия, сооружение оросительных или осушительных систем меняют исходную биогеохими- ческую среду и усложняют поиски и выяснение связей между ландшафтом и человеком. Однако тщательные крупномасштабные картограммы биогеохимии почв и здоровья коренных жителей позволяют получить достоверные выводы.

По данным французского исследователя A. Voisin (1959), в странах Западной Европы рак желудочно-кишечного тракта чаще встречается у коренного населения регионов с глинистыми заболоченными почвами, где отмечается дефицит меди.

Проблема выяснения причин заболеваний крайне сложна. Вероятно, было бы недопустимым упрощением сводить все к избытку или дефициту одного-двух микроэлементов. Так, в отличие от приведенных выводов о том, что дефицит Си в глинистых многогумусных почвах является ведущей причиной этих заболеваний (Voisin, 1959), финский исследователь (Marjanen, 1980) получил обширные статистические данные, показывающие, что в Финляндии повышенная концентрация меди играет скорее отрицательную роль, а наличие подвижного марганца является фактором, значительно снижающим число раковых заболеваний.

Очевидно, учитывая возможное отрицательное или положительное значение тех или иных микроэлементов, следует оптимизировать их содержание в суточном рационе человека. По данным зарубежных исследователей (Finck, 1982), следует в суточной диете не превышать для I, Со, Se, Сг, Mo, V, Sn дозу 0,2 мг; для F, Си, Мп дозу 1—2 мг; для Zn, Fe дозу 10 мг. Для макроэлементов К, Na, Cl, Р доза суточного потребления значительно выше и измеряется граммами (табл. 64). Меньшие дозы вызывают нарушения функций организма, ненормальный рост, анемию, нервные расстройства, снижение фертильности и бесплодие.

Сложились некоторые стандартные показатели биологического значения содержания микроэлементов в почвах. Для меди концентрация менее 15 мг/кг считается совершенно недостаточной для растений и животных; 15—60 мг/кг - нормальная, а более 60 мг/кг — токсичная, вызывающая хлороз и болезни растений. Для молибдена концентрации меньше 1,5 мг/кг считаются недостаточными, 1,5—4 мг/кг — нормальными, а больше 4 мг/кг - токсичными для растений и вызывающими болезни зубов у человека (Speidel, Agnew, 1982).

Некоторые микроэлементы при избыточном содержании в почвах резко подавляют внутрипочвенную биологическую активность. Об этом можно судить по резкому уменьшению образования углекислоты при инкубации почв с добавками микроэлементов. Наиболее токсичными для микрофлоры почв оказались кадмий, хром, менее токсичными — цинк, медь и особенно свинец. Дозы в 50 мкг/г почвы в 1,5—2 раза снижают эмиссию углекислоты (рис. 88). Большие же дозы понижают биохимическую активность почв в 3-7 раз. Очень тщательными исследованиями М.М. Умарова и Е.Е. Азиевой (1980) доказано, что загрязнение черноземов и сероземов тяжелыми металлами (Cd, Pb, Zn, Си) снижает азотфиксирующую

Рис. 88. Изменение эмиссии С02 из почв под влиянием микроэлементов (сверху вниз) 1 - контроль; 2-50; 3 - 100; 4 - 200; 5 - 300; 6 - 400 мкг/г почвы (Chang, Broadbent, 1981)

способность почв. Особенно отрицательно влияние кадмия. Азотфикса- ция — хороший индикатор на степень загрязненности почв токсическими содинениями. Азотбактер, актиномицеты, некоторые виды дрожжей весьма чувствительны к тяжелым металлам (Бабьева и др., 1980).

Развитие новых методов анализа микроэлементов и тревога за здоровье человека с детского возраста вызвали к жизни исследования микроэлементов в грудном молоке. Национальная академия США опубликовала исследования, установившие в молоке присутствие 15 элементов, из которых медь, йод, железо, марганец, цинк иногда оказываются в дефиците. Но это предмет дальнейших исследований и обсуждений.