Цинк и медь

/b>Оба эти металла относятся к числу эссенциальных, наиболее распространенных в земной коре (Исидоров, 1999). Общее содержание цинка в ней составляет примерно 1,5 • 10 2%, а кларк меди равен 4,7 • lO3%. Промышленное значение имеют также и карбонаты — смитсонит ZnC03 и малахит Си2(0Н)2С03.

Главный путь поступления этих элементов в гидросферу — микробиологическое и химическое выщелачивание из горных пород. Поведение и формы их существования в водных объектах зависят от конкретных условий. В слабокислой среде с pH 5,5—6,5 часть меди и цинка входит в состав гидроксокомплексов [Си (ОН)] + и [Zn (OH)]⁺.

Сульфидные формы металлов формируются в застойных зонах эвтрофированных водоемов. Сначала в них происходит бурное развитие фитопланктона. Далее при разложении фитопланктона поглощается кислород и выделяется H₂S.

Обменный цинк накапливается в перегнойном горизонте почв. Очень много его встречается в перегнойном горизонте дерново-подзолистых и дерново-глеевых почв, находящихся под лесными насаждениями. Кислые и богатые гумусом почвы содержат наибольшие количества подвижных форм цинка, много его также в кислых болотных и заболоченных почвах (Пейве, 1961).

Цинк более растворимый элемент в почвах, нежели другие тяжелые металлы. Концентрация его в почвенных растворах колеблется от 4 до 270 мг/л в зависимости от свойств почвы (Алексеенко и др., 2014).

Цинк наиболее подвижен и биологически доступен в кислых легких минеральных почвах. Слабая подвижность цинка в почвах, имеющих избыток кальция, объясняется образованием нерастворимых цинкатов кальция, что определяет возникновение дефицита цинка для растений (Алексеенко, 2006).

Растворимые формы цинка доступны для растений, и потребление цинка линейно возрастает с повышением его концентрации в питающем растворе и почвах. Потребление цинка контролируется метаболизмом растений, но может существовать и неметаболический процесс.

Цинк оказывает многостороннее действие на обмен веществ, входит в состав ряда ферментов, активизирует работу 13 металлоферментных комплексов, способствует более полному использованию С0₂ в фотосинтезе, влияет на синтез белков и ауксина (Алексеенко, 2006; Ильин, 2012; Школьник, 1974).

Многие исследователи отмечают слабую фитотоксичность цинка (Алексеев, 1987; Алексеенко и др., 2012; Школьник, 1974). При его избытке проявляются хлороз и ослабление роста, но большинство видов обладают высокой толерантностью к избытку цинка в среде (КабатаПендиас и др., 1989). У животных избыток цинка вызывает снижение содержания меди в печени.

При недостатке цинка нарушается фосфорный обмен, накапливаются редуцированные сахара, уменьшается содержание сахарозы и крахмала, увеличивается содержание органических кислот и небелкового азота. Симптомами недостатка цинка являются мелколистность и розеточность листьев (Школьник, 1974).

Общее количество меди в почвах зависит главным образом от наличия ее в почвообразующих породах и от аккумуляции меди в генетических горизонтах, что, в свою очередь, связано с механическим составом, содержанием гумуса и распределением влаги.

Аккумуляция в верхних горизонтах — обычная черта распределения меди в почвенном покрове. Это явление — результат действия разных факторов, но прежде всего концентрация меди в верхнем слое почвы отражает ее биоаккумуляцию, а также современное антропогенное влияние (Алексеенко и др., 2014).

Уровень содержания доступных для растения форм меди изменяется в зависимости от типа почв. Торфяные почвы и черноземы необратимо связывают ее, глиноземы и кремнеземы адсорбируют, на карбонатных почвах редко наблюдается медная недостаточность (Харьковская и др., 1998). Концентрация меди в почвенных растворах, выделенных различными способами из разных почв, колеблется от 3 до 135 мг/л (Алексеенко и др., 2014).

Доля комплексов с нитратом, хлоридом и сульфатом в почвенных растворах незначительная. Наиболее важная форма меди в почвенных растворах — это ее растворимые органические хелаты (Алексеенко и др., 2014).

Цинк и медь образуют прочные комплексные соединения с органическими лигандами, причем по прочности комплексов с фульвокислотами медь занимает второе место после ртути. Доля комплексов с гумусовыми веществами при pH 5,0—6,0 невелика, однако она резко возрастает с увеличением pH. Соотношение между неорганическими и органическими комплексными соединениями зависит также от содержания в водах гумусовых веществ: неорганические формы цинка преобладают, если концентрации фульвокислот лежат ниже 3 мг/л, тогда как для полного связывания меди обычно достаточна концентрация этих лигандов на уровне 1 мг/л.

Распределение меди в растениях очень изменчиво. В корнях медь связана в основном с клеточными стенками и крайне малоподвижна. В ростках наибольшая концентрация меди обнаруживается всегда в фазе интенсивного роста при оптимальном уровне ее поступления. Есть также тенденция к накоплению меди в репродуктивных органах растений, однако ее проявления очень различны для разных видов (Кабата-Педиас и др., 1989).

В растительном организме соединения меди участвуют в азотном обмене, влияют на синтез легоглобина. Эта разновидность гемоглобина содержится в клубеньках бобовых растений и придает им красный цвет, способствует переносу кислорода в симбиосомы, выполняет буферные функции, связывая избыточный кислород, подавляющий каталитическую активность нитрогеназы. Медь влияет также на активность ряда ферментов, участвующих в фиксации молекулярного азота атмосферы, а также инактивирует ауксины и другие соединения фенольной природы, повышает устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды (Кабата-Пендиас и др., 1989; Харьковская и др., 1998).

Дефицит меди отражается на физиологических процессах, а следовательно, и продуктивности растений (Кабата-Пендиас и др., 1989). Для разных видов растений уровни содержания, при которых обнаруживается дефицит меди, сильно различаются. Однако данные показывают, что содержание меди ниже 2 мг/кг неблагоприятно для большинства растений (Алексеенко и др., 2014). Неоднократное внесение меди в почвы может привести к накоплению ее до концентраций, токсичных для некоторых культур.

Несмотря на общую толерантность растительных видов, этот элемент все же рассматривается как сильно токсичный. Главными симптомами отравления медью являются медь-индуцированный хлороз и пороки развития корневой системы (Кабата-Пендиас и др., 1989; Харьковская и др., 1998).

Поскольку медь играет важную роль в метаболизме железа, то токсичность ее объясняется нарушением транспорта железа и образования гемоглобина. Медь остротоксична для большинства пресноводных организмов. Величина LD₅₀ для беспозвоночных обычно находится на уровнях менее 0,5 мг Cu/л; ингибирование роста водных растений наблюдается при концентрациях меди порядка 0,1 мг/л.