Накопление хрома в гречихе и его токсичность

rinok-grechkiНеобходимость хрома для растений. Прямых доказательств того, что хром является необходимым элементом для растений нет, хотя он постоянно присутствует в их тканях растений. На основании опытов с водными культурами пяти видов растений Е.Д. Гафман и В.Х. Алвэй сделали вывод, что хром не нужен для нормального роста и развития растений.

Интересные опыты по выявлению физиологической роли хрома в растительных организмах впервые были поставлены в 1937 г. Д. Арноном. По его сведениям, добавление хрома в сочетании с молибденом и никелем в водные культуры ячменя улучшало рост ячменя. В
последующие годы эти опыты были повторены на других растениях, и рядом исследователей вновь было отмечено положительное действие хрома на рост растений. По данным А.Т. Щеглова, небольшие концентрации хрома (0,05–0,0005 %) стимулируют активность каталазы и протеолиз.
М. Диксон и Э. Уэбб указывают на участие хрома в ферментативных реакциях растений: он неспецифично активирует некоторые ферменты. Установлено, что концентрация этого элемента в нуклеотидах семян примерно в 100 раз выше, чем в общей массе  растительной клетки, что, возможно, обусловлено какой-то его функциональной ролью. Хром также повышает содержание хлорофилла и продуктивность фотосинтеза в листьях. Положительное влияние этого элемента на продуктивность фотосинтеза было показано А.Т. Щегловым. Обработка семян кукурузы раствором хромата калия привела к возрастанию продуктивности фотосинтеза у выросших из них растений на 24–40%, содержания хлорофилла на 16–29 %, веса зеленой и сухой массы – на 34–65 %. При низкой концентрации Cr6+
(0,05 мг/л) в водной среде (на 3-и сутки его действия на зеленые водоросли Dunaliella viridis Teod.) наблюдалась стимуляция биосинтеза хлорофилла на 45% по сравнению с контролем. Авторы делают выводы, что при маленьких концентрациях этот элемент действовал как микроэлемент. Незначительные количества трехвалентного хрома стимулируют рост растений и образование клубеньков у бобовых растений.

Строение атома хрома, его близость по положению в периодической системе элементов к как марганецу и молибдену, физиологическая активность которых общеизвестна, его химические свойства дают основание предполагать, что хром, находясь в организмах, отнюдь не является индифферентным металлом, а играет какую то определенную роль в жизнедеятельности организмов. Он относится к металлам с переменной валентностью, которые особенно активны в комплексообразовании.
Поглощение хрома растениями. Металл поглощается корневыми системами в виде анионных комплексов, которые выявлены в тканях растений и соке ксилемы.
Оптимальными значениями рН для поглощения хрома является интервал 5,4–6,1. Выделено три фазы поглощения ионов хрома. Поглощение начинается сразу после погружения корней в раствор с высокой скоростью. Эта фаза продолжается не больше 6 мин. На протяжении следующей фазы, которая продолжается 8–10 ч, скорость поглощения постепенно снижается. Через 10 ч поглощение
хрома прекращается. Допускается, что в первой фазе проходит чисто физико-химическая адсорбция ионов поверхностью корней. Во второй – идет химическое взаимодействие ионов хрома с веществами, которые активно его связывают (белки, аминокислоты, углеводы). В третьей фазе возможно последующее взаимодействие хрома с метаболитами, которые образуются корнями с более или менее постоянной скоростью.
Хром может поступать в растения не только через корневую систему, но и через листья. При опрыскивании раствором бихромата листьев декоративных растений (0,001 н) его накопление зависело от толщины кутикулы. Через более тонкую кутикулу кардамона и гибискуса в листья проникало больше хрома, чем в листья бересклета и фатсхедера, имеющих более толстую кутикулу.Известкование, а также применение фосфора и органических веществ, заметно снижает токсичность хрома для растений на загрязненных им почвах, а свинец с хромом образует хромат свинца, что уменьшает подвижность Cr. Внесение в почву шлака, как удобрения или с целью известкования, приводит к увеличению его содержания в растениях горчицы белой (Sinapis alba L.) на 3,8 мг/кг сухого вещества.

Установлено, что ионы Са2+ стимулируют поглощение Cr растениями, анионы XI группы MoO4 2–, SeO4 2–, WO42–, SО42–– ингибируют.
На поглощение хрома растениями влияет содержание гумуса в почвах и рН. Так, несмотря на наибольшее содержание хрома в серых лесных почвах сравнительно с другими почвами Прут-Днестровского междуречья, в них наблюдается наименьшая аккумуляция этого элемента растениями пырея из-за высокого содержания гумуса и сравнительно высоких значений рН. Хром относительно слабо поглощается пыреем на черноземах подзолистых, хотя его содержание в данной почве достаточно высокое. На бедных гумусом дерново-подзолистых и темно-серых подзолистых почвах установлено, соответственно, наибольшее абсолютное значение этого элемента у растений (2 мг/кг) и наиболее высокий уровень его поглощения (КБП=0,39).

Наименьшее поглощение хрома выявлено на серых лесных слабокислых почвах в комплексе с среднекислыми. Содержание элемента составляет 0,5 мг/кг, а КПБ – 0,05.
Содержание хрома в растениях. Хром, по данным А.П. Виноградова, содержится в почве в среднем в количестве – 2·10 –2%, а в растениях – 5·10–4%.
Имеются данные, показывающие, что нормальное содержание хрома в листьях растений равняется 0,1–0,5 мг/кг сухой массы и предположительно максимальное – 2 мг/кг сухой массы.
ПДК хрома для растений, по данным разных авторов, составляет от 0,1 до 2,0 мг/кг сухой массы. Согласно данным критическая концентрация металла, выше которой нарастание надземной массы растений снижается на 10 %, варьирует от 1,0 до 2,0 мг/кг сухой массы.
Фитотоксическая концентрация хрома (снижение надземной фитомассы на 50 %) равна 100 мг/кг сухой массы.
Изучение фитотоксичности тяжелых металлов с использованием протопластов Nicotiana tabacum L. показало, что LD10 для хрома 18±0,9 мМ, LD50 – 210±12 мМ, для аниона CrO4 2–LD10 –13±1 мМ, LD50 – 140±8 мМ, для катиона Cr 2+LD10 – 18, LD50 – 250 мМ.

Содержание хрома в растениях изменяется в зависимости от вида растений и условий произрастания. Л.Р. Ноздрюхина и Н.И. Гринкевич, проанализировав литературные данные по содержанию хрома в лекарственных растениях, выявили существенные различия в величине
этого показателя. Высокое содержание хрома обнаружено в растениях, богатых каротиноидами –череде трехраздельной, сушенице болотной, грецком орехе. Содержание хрома в них по данным В.И. Ищенко составляет n·10–3%. В растениях, продуцирующих флавоноиды, бессмертнике песчаном, кукурузных рыльцах, гречихе посевной, яснотке белой, чернике также установлено значительное содержание хрома.

Последняя группа растений обладает высокой Р-витаминной активностью. Значительное содержание хрома обнаружено также в траве пастушьей сумки, которая богата витамином К, в подземных органах аралии маньчжурской, в листьях мяты перечной. По данным Л.Р. Ноздрюхиной и Н.И. Гринкевича, представители рода Digitalis являются концентраторами хрома. Особенно много его накапливается в листьях наперстянок.
Некоторые растения являются концентраторами хрома. В литературе есть сведения о более высоком содержании хрома в растениях семейства бобовые (горох, фасоль) сравнительно с зерновыми культурами.
Согласно исследованиям Н.В. Прохоровой с соавт., у большинства древесных растений Самарской области содержание этого элемента в листьях превышает ПДК и находится в пределах от 3,29 до 39,66 мг/кг. Максимальное содержание хрома установлено в листьях Padus avium Mill. и Lonicera xylosteum L. (39,66 и 29,30 мг/кг, соответственно).
Л.В. Прохоровой с соавт. проанализировано распределение хрома наряду с другими тяжелыми металлами в важнейших  сельскохозяйственных культурах в Самарской области, используемых в пищу. Накопление Cr в посевах пшеницы составляет от десятка долей до 50 мг/кг воздушно-сухой массы, во ржи от десятка долей до 40 мг/кг, а в ячмене до 30 мг/кг, подсолнечнике до 65 мг/кг. В посевах гречки на территории Самарской области концентрация хрома варьирует от 3 до 30 мг/кг. Если учесть, что ПДК хрома для растений равна 2 мг/кг, то превышение концентрации этого элемента в сельскохозяйственных растениях может снижать их урожайность.Особенно возрастает содержание хрома в растениях, произрастающих на рудных месторождениях, терриконах, а также на загрязненных этим элементом территориях. Так, на терриконах Челябинского угольного бассейна у исследуемых видов содержание хрома
повышается в 3–32 раза. Так, количество этого элемента в этих условиях составляет у лютика лугового – 17,5, пырея ползучего – 30,0, полыни обыкновенной – 55,85, тысячелистника обыкновенного – 138,0, донника белого – 63,35, солянки холмовой – 19,23, кохии венечной –76,25 мг·кг–1 сухого вещества.
Согласно нашим данным, фоновый уровень хрома в листьях древесных выше, чем в работах некоторых исследователей. Это, повидимому, связано с особенностями региона, на что указывают данные по высокому содержанию металла в растениях лесных биогеоценозов степной зоны Украины.
В листьях растений, произрастающих в условиях техногенного загрязнения атмосферного воздуха и почвы хромом, его количество возрастает, особенно в условиях большего загрязнения среды. Более высокими абсолютными цифрами содержания хрома характеризуются катальпа бегнониевидная, липа крупнолистная, клен серебристый (табл.).
Коэффициент накопления элемента в листьях в условиях промплощадки металлургического предприятия колеблется от 2,38 до 6,68. Более высокие значения этого коэффициента характерны для рябины обыкновенной, абрикоса обыкновенного, тополя канадского, яблони домашней.

Таблица – Содержание хрома в листьях древесных и кустарниковых растений, мг/кг сухой массы

vliyanie-hroma

В органах растений хром накапливается неравномерно. В больших количествах, по сравнению с другими органами, хром накапливается в корнях растений, при этом преобладающая его часть содержится в растворимой форме в вакуолях. В корнях растений, как сообщают М. Джованни и А. Дасси, образуются комплексы, которые частично иммобилизированны с донор-лигандами. По данным некоторых исследователей значительное количество хрома передвигается в листья и стебли. Выращивание растений фасоли на питательной среде, содержащей 10–5М Cr(SO4)3 показало, что хром накапливался в значительных количествах в листьях, стеблях и, особенно, корнях растений. М.С. Рогодзинский с соавт.получил другие результаты, согласно которым Cr3+, хоть и является фитотоксичным, но он слабо
накапливается в корнях и, особенно, в надземной части растений.
Показано, что хром может поглощаться непосредственно листьями. Шестидневные растения сои на протяжении 5 дней обрабатывали водой,которая циркулирует в системе охлаждения тепловой электростанции и содержит ~ 9 мг/л Cr 6+. В случае аэрозольной обработки
листьев (~ 30 мл) 40 % усваивались растениями (~ 108 мкг хрома). При внесении в почву Cr концентрировался главным образом в корнях. 

Результаты подтверждают положение, что Cr6+ из охлаждающих бассейнов тепловых электростанций не поступает в растения в значительных количествах.
По данным других авторов, в листья перемещается лишь незначительная часть металла, при этом поступивший 51 Cr концентрируется в кончиках листовых пластинок. Своеобразное распределение этого тяжелого металла отмечается в работе Д.С. Шарма с соавт.. Основное
количество хрома концентрировалось в стеблях, затем в листьях, но при низких концентрациях его в растворе более высокое содержание элемента по сравнению со стеблем было в рахисе.
Наиболее низкая концентрация Cr в условиях роста растений в среде с тяжелыми металлами наблюдается в семенах. Изучали влияние осадка сточных вод, предварительно подвергнутых анаэробному разложению, на доступность и накопление тяжелых металлов в разных органах кукурузы при выращивании ее на шахтных отвалах. Внесение осадка сточных вод приводило к увеличению концентрации тяжелых металлов. Наибольшие концентрации металлов, в том числе и хрома, обнаружены в корнях и листьях, наименьшее в зерне и початках. У растений винограда
содержание этого тяжелого металла в органах уменьшалось в следующем порядке: листья > корни> ягоды.
Фитотоксическое действие избытка хрома в среде выращивания на растения. Хром является одним из наиболее фитотоксичных элементов . Степень его токсичности определяется валентностью. Проявляются различия в токсическом действии трех- и шестивалентного хрома. Cr
6+ более токсичен, чем Cr3+. Это выявлено в опытах с изучением роста корешков горчицы белой, ячменя. Шестивалентный хром является анионом хромовой кислоты и в составе аниона практически не фиксируется почвенными коллоидами, так как они преимущественно несут негативный заряд, то есть, у бихроматов сильнее выраженный негативный эффект сравнительно с  рехвалентными соединениями хрома. Это связано также и с тем, что в виде аниона металл легче распределяется в растительном организме и образует непрочные комплексы с белками.
Под действием хрома на растения наблюдается, в первую очередь, повреждение корней и ингибирование их роста, в частности у райграса (Arrhenatherum elatius (L.) et C. Pres), риса (Oriza sativa L.), овса (Avena sativa L.), гледичии колючей (Gleditsia triacanthos L.) и
белой акации (Robinia pseudoacacia L.), коммелины обыкновенной (Commelina communis L.), бобов (Vicia faba L.), томата съедобного (Lycopersicum esculentum Mill.), бегонии всегдацветущей (Begonia × semperflorens L. et Ot.), петунии гибридной (Petunia × hybrida hort.),
чины душистой (Lathyrus odoratus L.) и др.. С.К. Соам и П.К. Агарвал сообщают о торможении роста зародышевого корешка побегов маша (Vigna mungo L.) в 5 раз при условиях внесения Cr3+ и Cr 6+в среду выращивания. С. Макхери и Р.Б. Кумар при условии внесения Cr
6+в концентрации 5·10–5М наблюдали снижение сухого и сырого веса корневых систем Oriza sativa L. С.О. Яковлева указывает на уменьшение объема подземной части декоративных цветочных растений при действии Cr3+ и Cr6+ по сравнению с контрольными растениями. У мяты водной (Mentha aquaticaL.) корни под действием хрома приобретают темно-бурую окраску, а кончики – черную,
становятся ломкими, тонкими, согнутыми, образование столонов ослабевает. Следует отметить, что под действием Cr6+ в концентрации 20–40 мг/л установлено покраснение стеблей мяты водной.
Токсичность Cr6+ была значительно выше в рулонной культуре, чем в почвенной. Признаки угнетения растений проявлялись при концентрации в питательном растворе 0,5 мг/кг, а суглинистой почве – при 10 мг/кг. Продуктивность растений в рулонной культуре снижалась на 50% при концентрации 5 мг/кг; а присутствие хрома в почве снижала урожайность на 30 % при концентрации элемента 30–60 мг/кг.
Повышенные концентрации хрома снижают размеры листьев, задерживается их рост.
Его избыток в среде выращивания снижает площадь ассимиляционной поверхности растений Mentha aquatica L., вызывает ее завядание и повреждение. На снижение количества листьев у декоративных однолетних растений указывает Л.М. Фендюр.
Токсичность хрома для растений также проявляется в возникновении хлорозов и некрозов. В опытах с различными концентрациями хрома (0; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0 мМ Cr+6 ЭДТА) установлено, что в низких количествах этот элемент вызывал хлороз между жилками молодых листьев пшеницы, в более поздние сроки роста возникал некроз. Присутствие в среде выращивания избытка соединений хрома вызывает повреждение листьев в виде хлоротичных пятен, краевых хлорозов, опухолевых образований, некрозов, а также отмирание отдельных участков листовых пластинок, что более выражено на периферии.
Под действием хрома изменяется мезоструктура листа. Дж. Проктор с соавт. свидетельствует о проявлении признаков ксероморфности у растений техногенных территорий.
Потенциальная фотосинтетическая активность зеленых водорослей снижалась на 5–22 % до концентрации 15 мг/л и 45–55 % при концентрации Cr6+ выше 60 мг/л.
Хром в виде аниона хромовой кислоты снижает урожайность растений маша, пшеницы, горчицы, фасоли. Установлено, что верхний критический уровень концентрации этого элемента в среде выращивания, при котором накопление биомассы снижается на 10 %, составляет 10 мг/кг абсолютно сухой почвы.
Избыток этого элемента в окружающей среде ингибирует прорастания пыльцы и интенсивность роста пыльцевых трубок. Его присутствие в почвах промышленных площадок вызывает увеличение количества тератоморф цветков и соцветий декоративных цветочных растений.
Хром также тормозит прорастание семян. Указывается на угнетение этого процесса у маша, ряда декоративных однолетних растений. Cr3+ уменьшает площадь семядолей у побегов декоративных цветочных и древесных растений, которые растут в среде с добавлением
загрязнителя.

Таким образом, анализ литературных данных свидетельствует о незначительной биологической роли хрома, как микроэлемента, в жизни растений. Нетоксичные концентрации хрома могут вызывать некоторую стимуляцию физиологических процессов, в то время как
высокие – существенно ингибируют все ростовые процессы. Это проявляется в торможении роста корневой системы растений, снижении сырого и сухого веса, изменении цвета корней, уменьшении количества листьев, площади ассимиляционной поверхности, возникновении
хлорозов и некрозов, что приводит к снижению накопления биомассы. Избыток хрома в середе выращивания ингибирует прорастание пыльцы древесных и цветочных растений, приводит к появлению тератоморф. По количеству хрома, который накапливается растениях, вегетативные органы можно разместить в ряд: корни > листья > семена. Поглощение металла осуществляется как непосредственно корневыми система растений, так и листьями. На этот процесс оказывает влияние концентрация Н+, содержание органического вещества в почве.