Экотоксикологическая характеристика стронция, источники его поступления, распространения и влияние на компоненты биосферы

найден в костях нормальных животных – кроликов, голубей, собак  и др. С помощью различных методов  исследования было показано, что стронций является постоянным составным компонентом. В теле потомства постоянно обнаруживается стронций, что указывает на проходимость плаценты для этого элемента. Он находится также в куриных яйцах, эмбрионов и в теле самих цыплят.

В органах и тканях человека стронций присутствует постоянно. Абсолютное количество стронция, содержащегося в теле, составляет для мягких тканей в среднем 0,01 – 0,1 мг/г свежего вещества(около 0,0005 % на золу). Содержание элемента в костях у взрослых людей значительно выше, чем у новорожденных, и составляет 0,024 % на золу(в костях плода – 0,016 %). В распределении элемента по различным частям скелета заметной разницы нет. Обычно наблюдается параллелизм между распределением стронция и кальция в органах и тканях человека и животных. Богатые кальцием органы содержат больше стронция и бедны магнием и наоборот. Это происходит вследствие близости свойств Sr и Ca. Это обстоятельство объясняет, почему стронция много в богатой кальцием костной ткани. Значительное количество элемента отмечается также в твердых отложениях – желчных камнях, мочевых камнях, содержащих карбонаты и фосфаты кальция. Отложение происходит и в стенках кровеносных сосудов.

Стронций – щелочноземельный серебристо-белый металл, существующий в трех аллотропных модификациях. Обладает высокой пластичностью и мягкостью. Он имеет большой атомный радиус и низкое значение потенциала ионизации, поэтому в условиях химического взаимодействия легко теряет валентные электроны и образует простые ионы; комплексные ионы с неорганическими лигандами неустойчивы. Быстро окисляется на воздухе, образуя на поверхности пленку, состоящую из оксида, пероксида и нитрида. Стронций энергично реагирует во влажной среде, образуя гидроокись и выделяя водород. Этот элемент – сильный восстановитель. 

Широко распространены его минеральные формы. Из солей стронция в воде растворимы галогениды (кроме фторида), нитрат и хлорат, сульфат малорастворим, фосфат нерастворим. Стронций энергично взаимодействует с активными неметаллами уже при обычных условиях, реакции сопровождаются выделением большого количества тепла. Соли стронция гидролизуются в водных растворах с образованием основных окислов и подкислением среды. Стронций имеет большую тенденцию к бионакоплению, высоко подвижен в природных средах, особенно в воде. Геохимические и биохимические свойства стронция близки к свойствам кальция, поэтому в природных условиях суши часто ассоциируется с ним и в меньшей степени с магнием.           

3. Поведение  токсиканта в природных средах  и живых организмах

Стронций легко мобилизуется при выветривании, особенно в кислой окислительной среде. Затем он может захватываться глинистыми минералами и прочно связываться органическим веществом, но большая часть стронция осаждается в идее биогенных карбонатов, в основном в форме раковин беспозвоночных. Стронций существует преимущественно в виде иона, т.к. практически все его соли способны к диссоциации, однако хелатные соединения также играют важную роль в круговороте элемента, тесно связанного с взаимопревращениями кальция.

Соединения стронция обладают хорошей растворимостью в воде, как в соленой, так и в пресной. Ионы стронция поступают в водную среду при выщелачивании горных пород и почв и в результате антропогенной деятельности со сточными водами. Растворение горных пород значительно возрастает под воздействием кислых вод, особенно болотных с высоким содержанием органических веществ. При этом переход иона в раствор обусловлено обменными реакциями и комплексообразованием. Почвы сильно влияют на химический состав фильтрующихся вод . Повышается минерализация мало минерализованных атмосферных осадков, изменяется ионный состав воды, возрастает способность растворов растворять минералы. При взаимодействии природных вод с почвами одновалентные катионы обмениваются на эквивалентное количество содержащихся в воде двухвалентных ионов. Хорошая растворимость элемента обуславливает его миграцию преимущественно в ионной форме. Комплексообразование для него сравнительно мало характерно, но при замене кальция и магния в органических соединениях могут образовываться соединения стронция с гумусовыми кислотами. При этом происходит растворение наиболее биологически важного элемента – кальция.

Стронций играет роль активатора и инициатора биохимических  процессов и необходим организмам в небольших количествах. Концентрация стронция в природных водах обычно невысокая и находится в пределах от единиц до десятков, реже сотен мг/л. Накопление стронция идет за счет внутриводоемных процессов взаимодействия веществ. Но в последние годы во многих странах антропогенный фактор в формировании химического состава вод становится доминирующим и тенденция загрязнения стронцием значительно увеличивается. Высокая миграция стронция свидетельствует о весьма сложном состоянии его в средах. Миграционная подвижность элемента и его соединений зависит от химических свойств, а также сложной совокупности реакций взаимодействия органических и неорганических компонентов природных вод, механического и минералогического состава веществ. Для речных вод характерно передвижение стронция во взвешенном состоянии в составе обломочного материала, преимущественно карбонатного типа, где он входит в состав кристаллической решетки минералов, и глинистых частиц. Взвеси гидроокисей железа и марганца адсорбируют из воды ионы стронция, но в малых количествах. Органические вещества также удерживают стронций и переносятся со взвесями. В водах озер и водохранилищ, т.е в замкнутых территориальных пространствах, роль взвесей резко снижается, т.к. при замедленных скоростях потоков переносимые частицы осаждаются и элемент накапливается в донных отложениях. Миграция стронция во взвешенном состоянии преобладает на юге, в северных реках – в растворимых формах, как в водном растворе, так и в коллоидном состоянии /3/.

Значительная часть  стронция, поступающего на поверхность  почвы с техногенными потоками, задерживается в верхнем горизонте. Распределение стронция в почвенном профиле наследует главные тенденции циркуляции почвенного раствора. Но, в зависимости от свойств почвы оно может быть и незакономерным. Так, в кислых почвах элемент активно вымывается вниз по

профилю, в известковых может  замещаться различными катионами, в  особенности ионами водорода. Вытеснение стронция растворами, содержащими кальций, имеет практическое значение при  восстановлении загрязненных почв. Радиоактивный стронций активен в легких почвах и быстро поглощается растениями. Но он быстро осаждается в среде с водными оксидами железа, что ведет к его аккумуляции в богатых железом почвенных горизонтах. Его доступность может быть снижена также наличием в почве в большом количестве Ca, Mg, K и Na.    

 Количество удерживаемого стронция  и его подвижность зависит  от состава гумуса, окислительно-восстановительных  и кислотно-основных условий,  сорбирующей способности, интенсивности  биологического поглощения. Стронций, как мобильный элемент в почвенно-геохимической обстановке, свободно мигрирует в почвенной толще, представляя потенциальную опасность для биоты. Накоплению элемента в слабо подвижных соединениях способствуют процессы изоморфного замещения в кристаллических решетках, соосаждение с полуторными окислами, сорбция, образование слаборастворимых органно-минеральных комплексов. Присутствие в составе илистой фракции глинистого минерала монтмориллонита, неокристаллизованных окислов железа и алюминия, наиболее часто встречаемых в почвах, и гуминовых кислот усиливает действие сорбционных барьеров. Накопление элемента зависит также от водного и воздушного режимов почв. Наименьшая его аккумуляция наблюдается в водопроницаемых почвах с постоянным промывным водным режимом (подзолистые и дерново-подзолистые почвы), наибольшая – в почвах с неполным промыванием почвенного профиля, а максимальная – в аридных условиях с выпотным водным режимом в солонцах и солончаках, в меньшей степени – в других почвах этих подтипов /7/.

3.1 Поступление в пищевые цепи

Для поддержания растениями нормального уровня жизнедеятельности  они должны активно поглощать  дефицитные ионы и задерживать избыточные. Последний процесс, связанный с  аккумуляцией ионов и распределением их в отдельных компартментах клетки, обуславливается видовой спецификой растений и в первую очередь характером поглощения и транспорта ионов. Растения, которые не способны полностью вовлечь поступившие ионы токсиканта в свой метаболизм, страдают от их избытка. Это обстоятельство сказывается на продуктивности растений и качестве продукции.

По способности проникать в  высшие растения стронций стоит в  группе слабого поглощения ими. Резистентность растений к токсиканту определяется их физиолого-биохимическими особенностями, а поступающее количество существенно зависит от содержания его водорастворимых форм в почвенном растворе. Поведение элемента в системе почва – растение зависит от концентрации и формы соединений кальция в обеих средах, являющимся элементом-аналогом.  Во многих случаях увеличение концентрации элемента в среде не приводит к возрастанию содержания в растении, т.к. увеличивающееся поглощение элемента до определенного уровня стимулирует обмен веществ растений, в ходе которого и изменяется компартментация элемента. И действие реакции среды, изменяющей подвижность и аккумуляцию стронция, является более сильным фактором, чем концентрация /4/.

Трансплантация металла из почвы  в растения зависит как от свойств  почвы, так и от физиологических  особенностей растения, от фазы развития.

В почвах с восстановительным режимом, богатых органическим веществом, значительное количество стронция присутствует в  органометаллическом комплексе  и в форме, сорбированной органическими  коллоидами. Действует и биохимический  барьер: захват и трансформация микроорганизмами. В торфяниках стронций сорбируется полуразложившимся органическим

веществом. Накопление подвижных биологически активных форм зависит от климатических  условий и водопроницаемости  почв, существенно определяющих тип  водного режима. Опасность загрязнения растений  возрастает от песчаных, наиболее водопроницаемых почв с низкой водоудерживающей способностью к суглинистым и глинистым, менее водопроницаемым и более влагоемким почвам. Накоплению слабо подвижных форм стронция способствует: изоморфное замещение в алюмогидроксильных октаэдрах и кремнекислородных тетраэдрах кристаллических решеток глинистых минералов, сорбция глинистыми минеральными частицами (с увеличением значений кислотности и содержания гумуса интенсивность ее увеличивается), образование металлорганических комплексов. Поэтому в кислых почвах слабо подвижные формы элемента накапливаются в иллювиальном горизонте вмывания, в нейтральных черноземах элемент задерживается преимущественно в гумусовом горизонте /7/.        

Поглощение стронция корневой системой связано как с конвективным переносом, так и с обменной диффузией. Токсикант переносится из корней в побеги не очень быстро, однако наибольшее его содержание часто фиксируется в надземных частях растений. В фазе кущения отмечается самая высокая степень поглощения токсиканта вместе с питательными веществами, обуславливающими интенсивное нарастание биомассы. При этом с применением фосфорных удобрений (суперфосфата) отмечено самое высокое содержание стронция в растениях в отличие от использования других удобрений (азотных, калийных). Практически полное снижение доступности элемента наблюдается при известковании почв. С ростом растений токсикант перераспределяется по их органам. При этом устанавливается следующая закономерность по его содержанию у мятликовых: корневая система > стебли (солома) > зерновая масса. Это происходит в фазу выхода в трубку и созревания, когда заканчивается 

формирование элементного химического  состава растений и их репродуктивных органов. По мере увеличения содержания стронция в почве до максимально высоких концентраций его уровень в различных органах также увеличивается, но соотношение между их количеством в корнях, стеблях, листьях и плодах сохраняется более или менее постоянным /4/. 

В случае накопления стронция в большой концентрации возникает определенная угроза распространения его влияния на животных и человека. 

3.2 Биотрансформация

Значительное количество токсиканта включается в биологический  цикл миграции элементов, в процессе которого его исходные минеральные формы соединений определенным образом трансформируются. 

Токсикант претерпевает в организме  метаболические превращения благодаря  катализу внутри- и внеклеточными  ферментами. Эти реакции приводят к образованию более полярных молекул у производных веществ, чем у исходных, наиболее легко выводимых из организма. Такими соединениями являются соединения стронция с белковыми веществами, аминокислотами и алкоголяты, а также органические и минеральные соли.  Основным местом трансформации является печень, и в частности клетки паренхимы. Биотрансформация катализируется в соответствии с химической структурой вредного вещества, ферментами, находящимися в различных компонентах клетки (цитоплазма, митохондрии, лизосомы, ядро и т.д.). Биотрансформация веществ в организме определяется реакциями окисления, восстановления и гидролиза. Окисление может катализироваться ферментами, присутствующими в митохондриях, растворимой фракции цитоплазмы или в плазме. Процесс окисления представлен следующим образом:

                                        RH + 2e^/ + 2H⁺ + O₂ = ROH + H₂O

При этом один из атомов молекулы кислорода  включается в токсическое соединение, а второй восстанавливается с  образованием молекулы воды. Реакции  этого типа катализируют ферменты монооксигеназы. Попавшее в организм вещество (RH) соединяется с белком плазмы и в виде комплекса транспортируется в печень, часть попадает в нее в свободном виде. Здесь на гомопротеиде цитохроме Р-450 в мембранах эндоплазматического ретикулума гепатоцита происходит окисление комплекса токсиканта, который в виде нового соединения или в свободном виде (ROH) удаляется

через экскреторные органы. Апофермент цитохрома выполняет регуляторную функцию и может связывать  множество соединений, а гем обладает способностью переводить кислород в активную форму и использовать его в реакциях окисления, работая в составе окислительно-восстановительной цепи, поставляющей для активации кислорода электроны с помощью НАДФ ^. Н. Высокую метаболическую особенность печени по отношению к токсиканту объясняет наличие в ней больших количеств гомопротеида.