Тяжелые металлы в сельском хозяйстве

      Поступающие в организм человека тяжелые металлы накапливаются в печени и выходят крайне медленно. Первоначально же они накапливаются  главным образом в почвах. Особенно прочно фиксируют тяжелые металлы гумусодержащие горизонты, то есть наиболее плодородный слой. Продукция растениеводства , выращенная на слабозагрязненных почвах , способна  вызвать аккумулятивный эффект обуславливая постепенное увеличение тяжелых металлов  в организме животных  и человека. Поступая в растения, они распределяются в органах и тканях неравномерно, следовательно, необходимо  изучение особенностей  тяжелых металлов. 
 

      Опасность загрязнения почвы химическими  веществами  определяется уровнем их возможного отрицательного влияния на продукты питания, а так же на биологическую активность и процессы самоочищения почв. Наиболее опасными тяжелыми металлами  являются свинец, ртуть, никель, кадмий, мышьяк, цинк, медь. Примерно 90%  тяжелых металлов , поступающих в окружающую среду,  аккумулируется почвами. Затем они мигрируют в природные воды, поглощаются растениями и поступают в пищевые цепи. До 70% тяжелых металлов поступает в наш организм с пищей. Свинец, ртуть, кадмий и мышьяк являются основными загрязнителями, потому что техногенное их накопление в среде идет особенно  быстрыми темпами. Данные элементы обладают большим сходством к физиологически важным органическим соединениям и способны подавлять наиболее значительные процессы метаболизма, тормозят рост и развитие. [агроэкология

     Различные растения сосредоточивают в себе разное число микроэлементов: в большинстве случаев - избирательно. Так, медь усваивают растения семейства гвоздичных, кобальт - перцы. Высокий коэффициент биологического поглощения цинка характерен для березы карликовой и лишайников, никеля и меди - для вероники и лишайников. Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной массы. Их токсичность проявляется по-разному. Многие металлы при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность ферментов (медь, ртуть). Некоторые из них образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо, взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость.

    Особый интерес представляет изучение животных, являющихся чувствительным индикатором начальных стадий загрязнения тяжелыми металлами. Они аккумулируют элементы в доступных биологически активных формах и отражают фактический уровень загрязнения экосистем.

     Почвенные животные, особенно сапрофитные группы, благодаря тесной связи с почвенными условиями и ограниченной территорией обитания могут быть хорошими индикаторами химического загрязнения биосферы. Среди животных такими индикаторами могут быть европейский крот, бурый медведь, лось, рыжая полевка. Располагая сведениями о содержании тяжелых металлов у млекопитающих, можно прогнозировать их влияние на организм человека. 

Таблица №. Характеристика основных тяжелых металлов, оценка их влияния на организм  человека.

     В сельскохозяйственном производстве высокое содержание тяжелых металлов приводит к снижению продуктивности и ухудшению качества животной(мясо, молоко, яйца, мед) и растительной продукции.

    Мясо. При откорме крупного рогатого скота в ряде техногенных зон, где выявлена высокая концентрация тяжелых металлов, у животных наблюдается накопление их в печени, костной ткани, мышцах и других органах.  Переработка такого мяса на мясопродукты (различные колбасы) , влияет на концентрацию токсинов, уровень которых снижается после варки на 28-36%.Содержание их в организме животных можно снизить с помощью некоторых средств и приемов. Например, скармливание  животным крапивы, лопуха, и цеолита способствует снижению концентрации  свинца в органах животных. Также крапива  служит для снижения концентрации хрома, стронция, алюминия. Меняя состав и структуру рационов, можно регулировать поступление тяжелых металлов в организм животных  и получаемую продукцию.

    Молоко. Биологически полноценным является молоко, если оно не содержит посторонних веществ, получено от здоровых животных, потребляющих высококачественные корма и воду. Присутствие тяжелых металлов (цинк, свинец, кадмий, медь) в молоке и молочных продуктах связано с экологическим состоянием окружающей среды. Основными источниками являются корма и вода. Летом в организм животного поступает  больше тяжелых металлов из-за дополнительного  поступления  их  с дерниной и почвенными частицами, поскольку содержание металлов в них выше, чем  растительности. В процессе переработки молока распределение тяжелых металлов  в получаемых продуктах имеет определенную закономерность. К примеру, больше всего  загрязнителей в обезжиренном молоке,  казеине, сыворотке. Меньше всего – в молочном жире, сливочном масле и пахте. Концентрацию тяжелых металлов можно снизить путем сепарирования и переработки молока. Установлено, что медь, кадмий, ртуть, свинец сорбируются преимущественно творогом, следовательно из молока, загрязненного металлами, можно получать продукты, удовлетворяющие нормативам, перераспределяя ЗВ по отдельным фракциям в процессе заводской переработки молока, экстракцией  тяжелых металлов, сорбированных творогом и растворимыми белками.

     Мёд. Тяжелые металлы поступают организм пчелы с кормом, водой, и органы дыхания. Наибольшее количество их пчела получает при переработке нектара в мед. Медоносная пчела-  хороший природный фильтр, задерживающий загрязнители, но при их высокой концентрации пчела погибает. Так же, как и в молочной продукции, продукты пчеловодства различаются по содержанию тяжелых металлов. Больше всего их наблюдается в организме пчелы, пыльце, и перге. Наименьшее содержание – в воске и меде.

      Яица. В основном в яицах накапливается свинец. Для экологически чистых яиц необходимо использовать  специальные добавки, смеси из растений (хвоя, местная растительность).

     Растительность. Тяжёлые металлы больше всего содержатся в корнях, затем идут стебли и листья и, наконец, семена, клубни, корнеплоды. Иногда содержание тяжёлых металлов в корнеплодах сопоставимо с их содержанием в листьях и стеблях. Это объясняется тем, что на корнеплоде имеются корни с проводящей системой, пронизывающей его толщу. Наиболее чистыми от тяжёлых металлов будут клубни, так как они не имеют проводящих пучков.

На загрязнённых почвах картофель и томаты дают более  чистую продукцию, чем корнеплоды –  морковь и редис. Поэтому при  выращивании продовольственных  культур на почвах, содержащих заметные количества тяжёлых металлов, следует  избегать размещения на них растений, у которых в пищу используются листья (салат, шпинат, лук, щавель), стебли и корнеплоды.   

Для выращивания  сельскохозяйственных  культур на загрязнённых почвах осуществляют ряд  профилактических мероприятий. В первую очередь проводится комплексное  агрохимическое окультуривание, заключающееся  в повышении содержания гумуса, нейтрализации  почвенной кислотности. В дальнейшем на этих полях размещают культуры, у которых в пищу идут части  растений, слабо накапливающие тяжёлые  металлы (томаты, бахчевые культуры, картофель). Если по каким-либо причинам нецелесообразно  комплексное окультуривание отдельных  загрязненных полей, на них следует  размещать технические культуры: лён, коноплю, клещевину, картофель  для переработки на крахмал или  спирт, сахарную свеклу для получения  сахара. Нельзя использовать загрязнённые почвы для выращивания кормовых культур, так как на корм скоту  идут чаще всего те части растений и в ту фазу развития, когда в  них происходит заметное накопление металлов, а соответственно и накопление вредных веществ в мясе и молоке животных.

Также на загрязнённых почвах нельзя размещать овощи, перерабатываемые на продукты детского питания (шпинат, морковь и т.д.).

Допустимое количество тяжелых металлов, которое человек может потреблять с продуктами питания без риска заболеть колеблется в зависимости от металла: свинец-3мг, кадмий-0,4-0,5 мг,ртуть-0,3 мг  в неделю. Эти уровни служат основой для контроля содержания в продуктах питания.  

К примеру, ПДК  металлов в мясе (мг/кг):

Свинец- 0,1; кадмий -0,3; мышьяк – 0,1; ртуть – 0,03; цинк- 5. 

3.Причины попадания тяжелых металлов в почву. 

    Основными источниками загрязнения являются минеральные и органические удобрения, применяемые в больших дозах, особенно при длительном использовании, и содержащие балластные вещества, в том числе и тяжелые металлы.

Таблица № .Содержание тяжелых металлов в минеральных и органических  удобрениях (мг/кг сухой массы):

     Из таблицы следует, что в органических удобрениях содержание таких веществ, как  кадмий , свинец, олово, никель, мышьяк меньше чем в минеральных. Из минеральных удобрений больше всего их в фосфорных удобрениях.

Таблица №  Содержание химических загрязнителей в суперфосфатах.