Исследования

Мы хотим познакомить вас с содержанием исследовательских работ, которые ведутся учащимися Шелеховского лицея. Во время летней практики собираются материалы для таких исследований, которые впоследствии обрабатываются, анализируются, и по результатам анализов делаются соответствующие выводы. Юлия обобщила результаты трех исследовательских работ, которые имеют одно общее — реагирование растений на загрязнение окружающей среды. Принцип исследования в двух работах один и тот же — собираются листья березы и тела мхов, высушиваются и определяется содержание в пробах микроэлементов — цинка и марганца. Принцип исследования третьей работы — определение процента больных сосновых хвоинок. Пробы для опытов берутся в чистой экологической зоне (Аршан), это так называемые фоновые пробы, и на нескольких площадках города Шелехова. Те и другие пробы сравниваются с лабораторными пробами.
Метод подсчета больных сосновых хвоинок самый простой — это визуальный анализ.
Сложнее обстоит дело с определением содержания микроэлементов, так как здесь требуется специальная аппаратура. И почему этот принцип лег в основу исследования?
Множество биологов и химиков прошлого исследовали живые существа, стараясь отыскать некую особую субстанцию, "жизненную силу", обуславливающую функционирование организмов. Однако ни самой субстанции, ни каких-либо указаний на то, что она существует, найти не удалось. Ученые выяснили, что организмы состоят из тех же химических элементов, что и воздух, вода, минералы горных пород и почв.
В состав живых организмов входит более 80 химических элементов. Одни элементы необходимы организмам в больших количествах (макроэлементы), другие в ничтожно малых (микроэлементы). Важно знать роль каждого химического элемента в формировании жизнедеятельности живых организмов.
Фрей-Васлинг обратил внимание на то, что химические элементы, необходимые растениям, занимают строго определенное место в периодической системе. Дальнейшие исследования показали, что жизненная необходимость химического элемента определяется не просто его положением в периодической системе, а целым рядом свойств, таких как потенциал ионизации, ионный радиус, поляризуемость и др. Установлено, что с увеличением атомной массы элемента увеличивается его токсичность. Содержание таких элементов в организме, как правило, очень мало.
К числу микроэлементов относят элементы, содержание которых в живых организмах не превышает 10%. Микроэлементы принимают активное участие в процессах дыхания, фотосинтеза, синтеза белков, белковом и углеродном обменах, синтезе гумуса и других процессах.
Химический состав растений зависит от интенсивности процессов техногенеза. Техногенный тип миграции элементов, возникший в результате активной деятельности человека, подчиняется не природным факторам, а социально-экономическим законам и является разнообразным по своему проявлению. В том числе включает переброску на большие расстояния продуктов переработки природного сырья. В атмосферу поступает несгоревшее полностью сырье, твердые и газообразные отходы производства, а в водоемы – твердые и жидкие. Это приводит к резкому перераспределению химических элементов, что вызывает нарушение биогеохимических круговоротов таких элементов как C, B, P, Pb, Cu, Zn, Fe, Sn, Hg, Ag, Mn.
Распределение химических элементов в результате хозяйственной деятельности человека неравномерно, что приводит к высокой концентрации химических элементов в локальных местах с последующим "рассеиванием" их в более широких ареалах, то есть образуются техногенные аномалии, связанные с работой индустриальных центров.
Для нормального функционирования организмов необходимо, во-первых, определенная концентрация микроэлементов в среде обитания, во-вторых, определенное соотношение между поглощаемыми микроэлементами, в-третьих, определенные формы соединений, в которых находятся микроэлементы в среде обитания. Несоблюдение этих требований приводит к нарушению различных биохимических процессов: повышенные или пониженные концентрации микроэлементов в среде обитания могут вызвать эндемические заболевания.
Почему именно содержание цинка и марганца определялось в пробах растений?
Содержание Zn в золе растений в среднем 10, а в сухом растении его от 15 до 70 мг/кг. В почвах количество этого элемента не превышает 65 мг/кг, а усвояемого растениями - от 0,03 до 20 мг/кг. Коэффициент биологического поглощения (КБП) цинка 10. Особенностью этого металла является низкая химическая активность, поэтому он в незначительной степени вовлекается во вторичный кругооборот. В растениях цинк участвует во внутриклеточной регуляции.
Среднее содержание Mn в растениях 10 мг/кг, КБП колеблется от 0,1 до 100. В клетках растений наибольшее количество марганца находится в цитоплазме. Он входит в состав многих ферментов и хлорофилла, активизирует их образование. Марганец принимает активное участие в процессах фотосинтеза, дыхания, в азотном и нуклеиновом обменах. Активность марганца в различных физиологических и биохимических процессах определяется не только его количеством в растении, но и соотношениями с другими химическими элементами, участвующими в этих процессах. Особенно важно соотношение между Mn и Fe, Mn и Cu.
Железо поступает в растение в составе хелатов. где оно находится в двухвалентном состоянии. В случае накопления повышенных концентраций Fe (II) может токсично воздействовать на растение. В присутствии Mn железо окисляется и выпадает в осадок, но процесс этот протекает при определенном соотношении между этими элементами. В случае нарушения этого соотношения может наблюдаться следующее:
- при недостатке марганца происходит накопление в растении Fe (II), которое может достичь токсических концентраций;
- при избытке марганца Fe (II) переводится в Fe (III), последнее накапливается в виде органофосфорного Fe и растение начинает испытывать недостаток в Fe (II).
Подобным образом медь влияет на содержание марганца. Такое взаимодействие проявляется не только в растениях, но и в почве. Марганец принимает участие в процессах почвообразования. Почвенные горизонты, обогащенные железом, особенно иллювиальные, содержат повышенное количество марганца.
В частности, цинк играет важную роль в жизни растений, поэтому его избыток или недостаток вызывает у них самые различные заболевания. Недостаток цинка приводит к замедлению или прекращению роста большинства растений: у деревьев наблюдается мелколистность, розеточность, листопадность; у кукурузы вызывает хлороз, у томатов – скручивание листьев, у цитрусовых – крапчатость листьев.
Недостаток марганца в почвах сдерживает рост и развитие растений. У многих при этом снижается усвояемость йода, у дубильных растений сокращается образование таннидов, у овса появляется крапчатость и неприятный запах, у бобов – пятнистость. Большинство растений при дефиците марганца накапливает железо, а при избытке марганца содержание железа уменьшается, что приводит к хлорозу.
В паре "растение-почва" наблюдается зависимость между содержанием химических элементов в почвах и растениях. При малом содержании элемента в почве растение поглощает все имеющиеся количество доступных для него форм этого элемента, и, несмотря на это, его содержание в растении уменьшается.
При оптимальном содержании элемента в почве химический состав растений в основном зависит от биологических особенностей растения и физиологической роли данного элемента.
Геохимическая среда в этом случае не является лимитирующим фактором, поэтому в растении начинают работать механизмы регуляции. Количество поглощаемого элемента определяется потребностью для осуществления физиологических процессов. Установлено, что климатические условия, в частности температура и увлажнение, оказывают влияние на поглощение элементов растениями, а, следовательно, и на химический состав. Например, в северных регионах растения содержат больше Cu, Mn, Zn.