4 ВВЕДЕНИЕ
Общеизвестно, что количество химических элементов в почве, в т. ч. микроэлементов и их сочетания между собой и с макроэлементами, наряду с показателями органики определяет не только плодородие почв, но и обеспеченность жизненно важными химическими элементами продуктов растениеводства и животноводства, т. е. пищи людей и кормов для животных, что предопределяет их физиологическое состояние или патологию (эндемические заболевания).
Проблема обеспеченности физиологически важными элементами, такимикак марганец, цинк, медь и кобальт продуктов питания населения и кормов для животных, биогенная миграция металлов в пищевых цепях экосистем и связь концентрации металлов в продуктах растениеводства и животноводства с уровнем их в почвах и воде в агроэкосистемах и грунтов, воде, фитозоопланктоне, бентосе, макрофитах и рыбе в гидроэкосистемах, изучение динамики элементов в органах и тканях рыб является одной из важных проблем современной экологии, так как от этих экологических параметров напрямую зависит здоровье людей и животных, населяющих конкретные регионы и субрегионы России и других стран.
При этом мы исходили из того, что ещё в пятидесятые-семидесятые годы двадцатого века Я. В. Пейве (1958 - 1961), В. В. Ковальский (1957 -1974), Р. Н. Одынец (1962); Г. А. Бабенко (1962); В. И. Воробьёв (1968, 1978, 1993) и многие другие исследователи доказали, что уровень обеспеченности человека и животных микроэлементами необходимо определять в конкретных эколого-биогеохимических условиях, учитывая влияние комплекса местных условий того или иного субрегиона (биогеохимической провинции) биосферы на состояние их здоровья и продуктивность. В условиях Саратовской области нам известны лишь фрагментарные работы по выяснению содержания отдельных микроэлементов (кобальт и йод) в почвах, растениях и крови животных, выполненных в шестидесятые - семидесятые
5
годы (Васюнин В. В., 1967; Бабин Я. А., 1967), которые выявили явления акобальтозов у овец Заволжья на почве дефицита кобальта.
Вполне обоснованно считать, что экологическая обстановка в Правобережных и Левобережных районах области за последние сорок-пятьдесят лет изменилась, т. к. гидростроительство на р. Волге, образование Саратовского «моря», широкие мелиоративные мероприятия, проводимые до девяностых годов на территории Левобережья, и до 50% заброшенных пахотных земель в последнее десятилетие двадцатого века, что продолжается и сегодня, наложили свой отпечаток на экологическую ситуацию территории Саратовской области и, как следствие, на содержание и динамику микроэлементов в почве, воде и пищевых продуктах растениеводства и животноводства изучаемых нами субрегионов биосферы Правобережья и Левобережья р. Волги Саратовской области, где проживает порядка трёх миллионов человек.
Для нормального развития и жизни человека и животных необходимы не только белки, жиры и углеводы, но и минеральные вещества. От недостатка или (избытка) тех или иных минеральных веществ в продуктах питания и воде у человека и животных возникают тяжёлые заболевания. Особенно восприимчивы к таким эндемическим заболеваниям дети и молодые высокопродуктивные животные.
В минеральном питании человека и сельскохозяйственных животных большое значение в последние десятилетия отводится микроэлементам, имеющим важное физиологическое значение для жизни организма: цинк, марганец, кобальт, медь, йод и ряд других.
Работами многочисленных исследователей академиков В. И. Вернадского (1927); А. П. Виноградова (1952 - 1962); Я. В. Пейве (1952 -1963); В. В. Ковальского (1957 - 1974); А. И. Войнара (1960); М. Я. Школьника (1974); В. И. Воробьёва (1968, 1979, 1993) и многих других установлена тесная связь микроэлементов с важнейшими активными биокатализаторами организма: витаминами, ферментами, гормонами, а также
6
нуклеиновыми кислотами, которые крайне необходимы для жизни человека и животных. Подобные исследования приостановились после семидесятых-восьмидесятых годов из-за того, что часть химических элементов, встречающихся в компонентах всех экосистем, стала попадать в них в больших количествах из-за выбросов промышленных предприятий. Стало наблюдаться явление, когда жизненно необходимые элементы, такие как цинк, медь, марганец и другие, выбрасывались промышленными предприятиями в биосферу в очень больших количествах и исследователи стали рассматривать их не как биостимуляторы роста и жизнедеятельности организмов, а как токсиканты, ибо количество металлов в ряде экосистем (особенно прилегающих к промышленным зонам) превышали ПДК в десятки, сотни, а иногда и в тысячи раз.
В связи с этим изучение физиологической и экологической роли целого ряда микроэлементов в жизни отдельных организмов и экосистемах как-то стало отходить на второй план, уступая место изучению проблемы токсикологии тяжёлых металлов. Однако экологическая и физиологическая значимость для организма целого ряда микроэлементов от этого не утратилась, ибо, например, биосинтез витамина Bi2 (кобаламина) невозможен без определённого количества кобальта, а для действия дегидрогеназ необходимо присутствие в пище оптимальных концентраций цинка и т. д.
Стоит также отметить, что значительное количество микроэлементов постоянно находится в организме человека и животных, а их экологическая и физиологическая роль так до конца и не изучены. Это касается, например, алюминия, который встречается в органах и тканях всех теплокровных животных и рыб в концентрациях, близких, а порой и превышающих количество железа.
Но какую функцию в организме и экосистемах выполняет алюминий, до сих пор не ясно. То же самое можно сказать и о других микроэлементах, роль которых в жизни растений и животных до сих пор не ясна, хотя в организме встречаются почти все элементы периодической системы Д. И.
7
Менделеева. Не выполнено до конца и биогеохимическое районирование и картирование многих областей России.
Актуальность
Мы в своей работе остановились на четырёх основных элементах: цинке, марганце, кобальте и меди, учитывая их важную биологическую роль в экосистемах и отдельных организмах растений, животных и человека, хотя иногда исследовали и другие элементы. При этом нас интересовал лишь уровень биогенной миграции металлов и аспект обеспеченности этими элементами отдельных (основных) компонентов экосистем двух различных субрегионов — Правобережья и Левобережья р. Волги на территории Саратовской области. Мы исходили из позиции системной экологии, что проблема регулирования содержания микроэлементов в пищевых продуктах может быть правильно решена только на основе принципов геохимической экологии (Ковальский В. В., 1974; Воробьёв В. И., 1993; Подколзин А. А., Гуревич К. Г., 2002; Абдурахманов Г. М., Зайцев И. В., 2004 и другие), которые устанавливают связь и зависимость геохимического состава основных компонентов экосистем человека и животных (их обеспеченность микроэлементами), от содержания элементов в конкретных субрегионах (биогеохимических провинциях) биосферы. Изучение вопросов биогеохимического районирования (деление биосферы на регионы и субрегионы) не только представляет естественно-исторический интерес, но и является важной основой развития краевой медицины, ветеринарии и зонального применения подкормок животных микроэлементами, внесение микроудобрений на поля и в пруды, нормализующие питание и повышающие продуктивность живых организмов. Научная новизна
Впервые в условиях Саратовской области на единой (эколого-биогеохимической) методологической и методической основе изучен уровень биогенной миграции четырёх физиологически важных для всех живых организмов микроэлементов в основных компонентах агросистем
8
(почвах, воде, продуктах растениеводства и животноводства), находящихся в эколого-биогеохимической обстановке Правобережья и Левобережья р. Волги. Впервые выяснен уровень биогенной миграции марганца, цинка, кобальта и меди в пищевых цепях водных экосистем, динамика элементов в органах и тканях рыб в зависимости от содержания элементов в исследуемых субрегионах и их экологии, что является дальнейшей разработкой идей академиков В. И. Вернадского (1927), А. П. Виноградова и В. В. Ковальского (1974), посвященных разработке парадигмы о принципах работы биосферы и её деления на регионы, субрегионы и экосистемы.
Цель и задачи исследования
Целью нашей работы было выяснение эколого-биогеохимической ситуации биогенной миграции микроэлементов (марганца, цинка и кобальта) в основных компонентах агроэкосистем и экосистем прудов двух субрегионов - Саратовского Правобережья и Левобережья р. Волги. Для достижения указанной цели, нами решались следующие конкретные экологические задачи:
1. Изучить эколого-биогеохимические параметры утилизации микроэлементов основными агро- и гидросистемах Правобережья и Заволжья р. Волги (климат, почвы, грунты, вода, фито- и зоопланктон, макрофиты, бентос, органы и ткани рыб, наземные растения и продукция сельскохозяйственных животных).
2. Исследовать связь между содержанием Mn, Zn, Си и Со в почвах и водах агросистем и утилизации в водах экосистем, и обеспеченностью микроэлементами растениеводческой и животноводческой продукцией, получаемой в экологических условиях Правобережья и Левобережья р. Волги Саратовской области.
3. Выяснить уровень биогенной миграции Mn, Zn, Си и Со в пищевых цепях прудов, органах и тканях карпа и белого амура из водоёмов субрегионов Саратовского Правобережья и Заволжья.
9
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в том, что впервые в условиях Саратовской области на единой методологической (эколого-биогеохимической) основе изучена экология двух различных субрегионов (Правобережья и Левобережья р. Волги) и исследована динамика жизненно важных элементов в основных компонентах агроэкосистем и гидроэкосистем, в т. ч. продукция растениеводства, животноводства, рыбоводства и её обеспеченность микроэлементами.
Практическая значимость
1. В определении наиболее обогащенных и наименее обеспеченных продуктов питания растительного и животного происхождения различными жизненно важными элементами.
2. В предложениях дальнейшего изучения вопроса обогащения воды Левобережных районов Саратовской области недостающими микроэлементами, в частности кобальтом для населения и кормов, для разводимых сельскохозяйственных животных.
3. В использовании полученных результатов для биогеохимического районирования и картирования региона р. Волги по содержанию металлов в основных компонентах экосистем и обучения студентов, при изучении ими курсов экологии, гидробиологии, экологической физиологии, биохимии и других биологических дисциплин.
Объём и структура диссертации
Диссертация, общим объёмом 132 страницы, состоит из введения, обзора литературы, описания методов и организации исследований, результатов исследований, их обсуждений, выводов и библиографического указателяувключающего 155 источников, из которых 34 иностранных. Работа иллюстрирована 7 таблицами и 8 рисунками, часть из которых помещена в приложении.
10 Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Общие представления об эколого-биогеохимических аспектах
микроэлементов
Ещё совсем недавно считалось, что для нормального роста и развития растений, животных и человека вполне достаточно четырёх так называемых «органогенов», т. е. углерода, водорода, кислорода, азота и семи минеральных элементов: фосфора, калия, кальция, магния, натрия, серы и железа (Капланский С. Я., 1938).
Усовершенствование методов определения химических элементов привело в 50-е годы XX века к пересмотру учения о необходимых организмам элементах.
Как показали дальнейшие исследования, целая группа элементов, или, как их впоследствии назвали - микроэлементов, оказалась незамеченной и не была учтена исследователями. К ним относятся Со, Си, I, Mn, Zn, Mo, V, Ni и другие элементы, необходимые растениям и животным в очень малых количествах (Подколзин А. А., Гуревич К. Г., 2002).
В 20 - 30-е годы академик В. И. Вернадский (1926) создал учение о биогеохимии веществ.
Дальнейшему развитию правильных представлений о миграции микроэлементов в биосфере и их роли в жизнедеятельности человека, животных и растений способствовали фундаментальные работы акад. А. П. Виноградова (1936, 1952, 1957), В. В. Ковальского (1949, 1950, 1952, 1957, 1959, 1964, 1974), А. И. Войнара (1960), Я. В. Пейве (1952, 1958, 1961), М. А. Глазовской (1964, 1972, 1976, 1988, 1991, 2002), Р. Н. Одынец (1973), Н. А. Токовой (1962), М. А. Риш (1963), М. Я. Школьника (1974), В. И. Воробьёва (1968, 1978, 1979, 1993, 2003), Ю.А. Израэль (1984), Н. М. Матвеева и др. (1997), В. Н. Башкина (1996, 1997), Н. А. Протасова (1998), А. В. Скального
11
(2000), А. В. Скального, И. А. Рудакова (2003), А. В. Скального (2004), Н. А. Цицина (2000), Г. М. Абдурахманова и И. В. Зайцева (2004).
Биогеохимическая концепция биосферы основывается на признании необходимым фактором её эволюции процессов биогенной миграции химических элементов. Они преобразуют земную кору и обсуждают возможность развития жизни (Вернадский В.И., 1954).
Биогенная миграция химических элементов в биосфере охватывается изучением биогеохимической пищевой цепи конкретного элемента. Она может иметь различное цифровое выражение для различных условий. Резерв химических элементов в последующих звеньях этой цепи постепенно уменьшается по мере перехода от пород к почвам и континентальным водам, к микроорганизмам, растениям, животным и человеку. Это общая закономерность. В ряде случаев некоторые звенья биогеохимической пищевой цепи приобретают способность концентрировать определенные элементы в связи с возникновением у организмов в процессе эволюции специфических функций, для которых необходимы данные элементы. В почвах химические элементы могут концентрироваться органическими веществами, образующимися в результате посмертных превращений организмов. Но не только этим определяется энергия и характер миграции химических элементов. Реакция поглощения атомов организмами присуща и микроорганизмам. Она хорошо может быть выражена и у растений, и у животных, и у человека, достигая в каждом случае высокоспецифичных форм. Большой интерес представляет поглощение химических элементов, регулируемое вне организма, например^в почве, благодаря прижизненному выделению корневой системой веществ, образующих комплексные соединения с химическими элементами почвы.
Представление о биогенной миграции элементов усложняется необходимостью рассмотрения проблемы в аспекте геохимической мозаичности среды. Среда характеризуется значительными изменениями химического состава в зависимости от геохимической обстановки: одни
12
территории обогащены определёнными химическими элементами, другие, наоборот, бедны. Недостаток или избыток в среде таких элементов, как кальций, магний, фосфор, железо, никель, кобальт, медь, цинк, стронций молибден, йод, фтор и некоторых других вызывают специфические реакции организмов: химическую изменчивость их состава, процессов обмена веществ, морфологические изменения, уродства, изменения воспроизводства, продуктивности, иммунобиологических свойств, эндемические болезни. Характер этих изменений зависит как от биологической природы, так и от концентрации в среде отдельных элементов, оказывающих на организм прямое действие путём включения в специфические звенья процессов обмена веществ в метоболитных путях, в процессах синтеза биологически активных соединений, и вторичное действие, неспецифическое, обусловленное первичными реакциями (Ковальский В. В., 1993; Воробьёв В.И., 1993).
Исследования в этом направлении очень важны, так как служат основой понимания связи на молекулярном уровне организмов с геохимической средой. Доказано, например, что только йод определяет синтез гормонов щитовидной железы. Иод при этом является основным элементом, прямо участвующим в синтезе гормонов. Естественно, что на обмен йода в щитовидной железе и на образование в ней йодсодержащих гормонов влияет, кроме того, недостаток или избыток в среде и в рационе кобальта, марганца, меди и, вероятно, других элементов (Войнар А. О., 1960; Ковальский В. В., 1974).
Пороговые концентрации для животных организмов могут быть определены по реакциям целых организмов, в том числе росту, иммунобиологическим свойствам, продуктивности, функции
воспроизводства, и по отдельным физиологическим функциям организма: синтезу микрофлоры кишечно-желудочного тракта витамина Bj2, содержащего кобальт; щитовидной железой гормонов, содержащих йод; выработке печенью и различными тканями окислительных металлоферментов, содержащих медь, аргиназы, связанной с марганцем,
13
ксантиноксидазы, у которой активной группой отдельных изоферментов служит молибден (ксантиноксидаза - 2) или медь (ксантиноксидаза — 4), уратоксидазы - фермента, содержащего медь, глютатионпероксидазы — селенофермента, многих других ферментов, содержащих цинк, марганец. Во всех случаях наблюдается одна общая картина: при недостатке химического элемента реакции целого организма, как и его отдельных функций, ослаблены, они также снижаются и при избытке химического элемента в кормах, пищевых продуктах, в суточных рационах. Все эти процессы в своё время были описаны во многих работах.
Реакции организмов на повышенное или пониженное содержание в среде и в рационе химических элементов указывают на присущее организмам свойство- приспособленность к регулированию функций только в условиях определённых пределов изменчивости геохимической среды. В связи с этим важным направлением исследований в области геохимической экологии явилось количественное определение недостатка или избытка химических элементов для организмов в биосфере, в её отдельных компонентах, установление пороговых или критических концентраций микроэлементов (МЭ), от которых начинается их недостаток (нижние пороговые концентрации) или избыток (верхние пороговые концентрации).
Очевидно, между этими пороговыми концентрациями находятся те количества микроэлементов, которые выражают пределы потребности организмов в микроэлементах. Системы организма, регулирующие обмен веществ, не могут быть одинаково эффективными и работать нормально при любых концентрациях микроэлементов, находящихся в окружающей среде и поступающих в организм.
В пределах между верхними и нижними пороговыми концентрациями химических элементов животный организм способен регулировать обменные процессы (пределы потребности), ниже или выше нижних или верхних пороговых концентраций регулирующие системы организма не могут
14
полностью нормализовать обменные процессы (Абдурахманов Г. М, Зайцев И. В., 2004).
Пороговые концентрации имеют видовой и индивидуальный характер и зависят от приспособленности организма к данной геохимической среде. Изменчивость пороговых концентраций у отдельных особей зависит от гетерогенности популяций. Но существуют такие пределы концентраций химических элементов, с которыми не могут справиться регулирующие системы определённой части организмов популяций (депонирования, выделительная, барьерная функция, функция распределения микроэлементов, синтеза биологически активных соединений и др.). В этом случае происходит срыв функций, возникают дисфункции, появляются эндемические болезни, элементозы. В популяциях микроорганизмов, растений и животных обычно наблюдаются различные градации чувствительности организмов к действию экстремальных геохимических факторов среды.
Геохимическая экология при разработке системы биогеохимического районирования опирается на пять групп критериев: 1)географические изменения в геохимической среде, концентрации и соотношения химических элементов (геохимические провинции, геохимия почв и пр.); 2)географические изменения биогеохимической пищевой цепи; 3)установление пороговых концентраций для видов организмов в различной геохимической обстановке, качественные и количественные изменения отдельных звеньев биогеохимической пищевой цепи, обмена веществ (первичные и вторичные изменения обмена веществ), синтеза биологически активных веществ, регуляторных процессов, в случае экстремальных условий, которые наблюдаются за пределами пороговых концентраций (выше или ниже их) - нарушения этих процессов, их патологические изменения, срыв регуляторных механизмов; 4)появление эндемических заболеваний (в некоторых случаях морфологических изменений);
15
5)геохимические условия изменения (понижение или повышение) продуктивности животных и урожайности растений.
Биогеохимическое районирование основывается на понимании биосферы как единой глобальной экосистемы Земли. Биосфера должна районироваться не почвенными, геоботаническими или какими-либо другими таксонами, используемыми при районировании почв, при геоботаническом районировании, а таксонами биосферы как целой экосистемы. Для этой цели предложено деление биосферы на регионы и субрегионы (Ковальский В.В., 1974).
Регионы биосферы имеют признаки почвенно-климатических зон или их сочетаний, но с учётом характеристики биогеохимической пищевой цепи химических элементов и преобладающих биологических реакций организмов на естественный химический состав среды (изменения химического состав организмов, обмена веществ, реакций в виде эндемических заболеваний и прочее) каждый регион биосферы делится на:
1) субрегионы биосферы, в которых комбинируются признаки региона по концентрациям, достигающим поровых величин, соотношения химических элементов и возможному проявлению специфических и биологических реакций;
2) субрегионы биосферы, признаки которых не соответствуют характеристике региона. Они обычно образуются над рудными телами при рассеянии концентрированных в них химических элементов, в бессточных районах, в районах вулканизма. В экстремальных условиях субрегионов биосферы ярко выражены биологические реакции организмов, вызываемые недостатком или избытком элементов.
В составе субрегионов биосферы обнаруживаются территории различного размера с постоянными характерными реакциями организмов, часто в виде эндемических заболеваний.
Биогеохимическое районирование позволяет охарактеризовать регионы биосферы, субрегионы биосферы и биогеохимические провинции
16
различными реакциями организмов на разное содержание химических элементов в окружающей среде. Эти реакции организмов показывают закономерную изменчивость обмена веществ у животных, вызываемую разнообразными, но определёнными геохимическими условиями среды. Геохимическая экология (Ковальский В. В., 1974), таким образом, объясняет географическую изменчивость обмена веществ, определяемую геохимией окружающей среды.
Геохимические провинции с резко выраженным избытком или недостатком химических элементов являются центрами с особенно сильно выраженной изменчивостью обмена веществ и синтеза биологически активных соединений в живых организмах. Значение биогеохимических провинций как центров обострённого эволюционного процесса предугадывал А. П. Виноградов (1938) в своей работе, посвященной биогеохимическим провинциям.
Изучение вопросов геохимической экологии и биогеохимического районирования не только представляет естественноисторический интерес, но и является важной основой развития краевой медицины, ветеринарии и зонального применения подкормок животных микроэлементами, нормализующими питание и повышающими продуктивность. Биогеохимические исследования в области медицинской и ветеринарной географии должны рассматриваться в связи с выявлением роли биогеохимической среды в возникновении и течении различных заболеваний, а не только геохимических эндемий (Бабенко Г. А., 1965; Ковальский В. В., 1974; Воробьёв В. И., 1993). Проблема биогеохимического районирования всё более усложняется в связи с изменением естественной среды жизни на Земле и всё более быстрым развитием ноосферы в биосфере. Нарушение обмена микроэлементов наблюдается у различных организмов в зависимости от содержания микроэлементов в рационе, что предопределяет различные патологии.
17
Для понимания генезиса геохимических почвенных провинций во всех случаях необходимо не только устанавливать связь между химическим составом почв и почвообразующих пород, но и определять причины отсутствия такой связи. Различия в содержании химических элементов в почвах очень велики (Ковальский В. В., 1974). Например, уровень меди колеблется в различных типах почв от 0,1 -10"4 до 154-10"4 %, т. е. ее содержание изменяется примерно в 1500 раз, при учете рудных провинций -в несколько тысяч раз. Подобная картина наблюдается и при изучении содержания других химических элементов. Так, среднее содержание цинка в почвах составляет 7,5-10"3 %, но в различных типах почв может изменяться в 2 раза, в отдельных же образцах различных типов почв эта цифра достигает 1000 (например, содержание цинка в черноземных почвах колеблется от 0,НО"3 до 99-10'3 %). Такие же соотношения характерны для кобальта, бора, марганца, стронция, молибдена и йода.
Наблюдаются также значительные географические изменения химического состава почв (приложение 1).
Подобные характеристики химического состава почв являются удобными для целей геохимической экологии.
По содержанию микроэлементов также различаются и поверхностные наземные, пресные воды. Концентрация меди в воде может изменяться в 40 раз (р. Маныч - 9-10'4 %, р. Москва - 2,2-10"4 %), кобальта - почти в 300 раз (р. Обь - 1,9-10^%, воды Алтайского края - до 6-10 "7 %), йода - в 7000 раз (р. Теза, Ивановской области - 7-10^%, Республики Мари-Эл 1-10"9%), бора - в 33 раза (р. У ил - 1-10"4%, р. Вудьявриок - 3-10"6%), стронция - в 100 раз (р.Таир-Су - 7-10"4 %, озера Амурской обл. - 7-10"8 %), цинка - в 222 раза от 8-10'4% до 3,6-10"6% (цит. по Г. М. Абдурахманову, И. В. Зайцеву, 2004).
Так как избыток одних элементов может сопровождаться недостатком других, то в организмах наблюдается не только усиление или ослабление отдельных процессов, но и глубокое качественное их изменение.

Получить работу