English
Исследования
Мы
хотим познакомить вас с содержанием исследовательских работ, которые
ведутся учащимися Шелеховского лицея. Во время летней практики собираются
метериалы 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.