Глава 5. Марганец в природно-техногенных системах

5.1 Технофильность марганца

Добычу элементов разумно измерять в единицах кларках. Данная величина называется технофильностью элемента – равняется отношению ежегодной добычи элемента к его кларку в земной коре. Величина, характеризующая количество элемента, выводимого из техногенного потока в природный называется техногенное геохимическое давление. Отношение техногенного геохимического давления к единицы площади называется модулем техногенного геохимического давления (т/км²). Модуль тех­ногенного давления (Т_д 10-20 кг/км²). Более высокие значения Т_д характерны для промышленных отходов: металлообразивные пыли 260, осадки канализационных стоков 209 кг/км² и т.д.; среднесуточная нагрузка Мn на человека ~ 178 мг. Для получения 1 т Мn требуется добыть и переработать несколько десятков тонн руды.

5.2 Медико-геохимический аспект.

Для животных и человека Мn токсичный и одновременно совершенно необходимый элемент. Имеются сведения, что он обладает антиконцерогенными свойствами и тормозит метаболизм в процессе концерогенеза, обеспечивает синтез мукополисахаридов, оказывает действие на ферментные системы мозга; хроническое воздействие может приводить к необратимым нарушениям центральной нервной системы и мозга. Для животных нижняя пороговая концентра­ция в сухом веществе 20, верхняя - 60-100 мг/кг. Токсичности при недостаточности Мn не было обнаружено, однако отмечалось, что при недостатке может развиваться диабет или гипохолестеринемия. При избытке его возникают манганозы: синдром паркинсонизма, психичес­кие нарушения, астеновегетативный синдром. У животных дефицит Мn вызывает снижение плодовитости, атаксию и повышенную смерт­ность новорожденных, нарушение опорнодвигательного аппарата, хрящевых тканей, перозис (у цыплят) и т.д. Для сельскохозяй­ственных животных установлены пороговые концентрации Мn (мг/кг): верхняя критическая доза 60-70 и более, нижняя до 20. Всасывание Мn в органы человека низкое, однако его участие в различных важных процессах метаболизма весьма велико. Всосавшийся Мn быстро покидает кровяное русло и концентрируется в печени. Недостаточность его вызывает у человека анемии, костные изменения у детей, сердечно-сосудистые и другие заболевания. При средней ежедневном потреблении Мn с пищей 3, с водой 0,005 и из атмосфера 0,02 мг отрицательного влияния на органы человека не наблюдалось.

5.3 Сельскохозяйственный аспект

Известно большое число работ, посвященных изучению процессов поглощения марганца растениями и его распределения в растительных тканях. Имею­щиеся данные свидетельствуют о том, что поглощение Мn рас­тениями осуществляется в результате метаболических процессов и, по-видимому, тем же путем, что и поглощение других двухвалентных катионов, например Mg²⁺ и Са²⁺. Однако, по всей вероятности, имеет место пассивная абсорбция Мn, особенно при высоких и токсичных уровнях его содержаний в растворе. В общем случае марганец отличается активным поглощением и быстрым переносом в растениях. Вероятно, поэтому он не связывается, с нерастворимыми органическими лигандами в кор­невых тканях или в соке ксилемы.

Поскольку марганец переносится преимущественно в меристематических тканях, его значимые концентрации отмечаются, как правило, в молодых органах растений. По данным Хинана и Кэмпбелла, при больших запасах Мn наиболее высокие его концентрации наблюдались в зрелых листьях, однако в слу­чае дефицита Мn большие его количества переносились от взрос­лых листьев к молодым распускающимся. Таким образом, когда запасы марганца в растениях невелики, его подвижность в тканях весьма ограниченна. Распределение марганца в растениях неоднородно и зависит от характера растительной ткани и фазы вегетации. Так, по сообщению Шеффера и др., относи­тельно низкие концентрации Мn отмечались в растениях ячменя в период их интенсивного роста, а в дальнейшем он интенсивно накапливался во взрослых листьях и обвертках.

Следует подчеркнуть, что содержание марганца в растениях зависит не только от их природы, но и от общего его количества в почвах, которое во многом определяется свойствами послед­них. Обычно наибольшие количества легко доступного для рас­тений Мn характерны для кислых и затопляемых почв. Напри­мер, в люцерне, растущей на затопляемых почвах, отмечалось более чем десятикратное увеличение содержания марганца по сравнению с естественными условиями. Следовательно, восстановительная способность корневых экссудатов и бактерий в ризосфере, по-видимому, играет огромную роль в снабжении растений марганцем.

Поскольку растворимые формы марганца легко извлекаются из почв растениями, его содержание в последних зависит от об­щего количества растворимого Мn в почвах. И действительно, для его концентраций в растениях характерна отрицательная корреляция с рН почв и положительная с содержанием органи­ческого вещества (рис. 2).

 

РИС. 2. Влияние почвенных факторов на содержание Мn в растениях овса. а — овес на различных стадиях роста при внесении органического вещества в виде навозной жижи; б — овес на различных стадиях роста, рН регулируется H2SO4 или СаО; в — овес в фазе стеблевания, рН обусловливает­ся применением различных азотных удобрений.

 

Все растения отличаются специфи­ческой потребностью в марганце, и, вероятно, наиболее важной его функцией является участие в окислительно-восстановитель­ных реакциях. Функции марганца в растениях достаточно де­тально рассмотрены Школьником, Бордманом, Менгелом и Керкби. Известно, что Мn²⁺ — специфический компонент двух ферментов: аргиназы и фосфотрансферазы. Он может также замещать магний в других ферментах. Механизм, посредством которого Мn²⁺ увеличивает активность некоторых оксидаз, точно пока не установлен, но предполагается, что это связано с изменением валентности между Мn³⁺ и Мn²⁺.

Марганец участвует в кислородобразующей системе фото­синтеза, а также играет основную роль в переносе электроноз фотосинтезирующей системы. По-видимому, слабосвязанная в хлоропластах форма марганца участвует в выделении кисло­рода, тогда как прочносвязанная его форма участвует в пере­носе электронов при фотосинтезе.

Роль марганца в восстановлении NO2 не вполне ясна, тем не менее установлена косвенная связь между активностью этого элемента и ассимиляцией азота растениями. Адекватные уровни доступного для усвоения Мn необходимы для питания растений. Из всех клеточных компонентов хлоропласты наиболее чувстви­тельны к дефициту Мn, реагируя на это видимыми структур­ными нарушениям. Симптомы марганцевой недостаточно­сти проявляются в первую очередь у молодых листьев в виде межжилкового хлороза. В дальнейшем наблюдаются пятнистый некроз на листьях и потемнение корней. При дефиците марган­ца, по-видимому, снижается морозостойкость растений. Кроме того, отмечаются ослабление роста и потеря тургора клетками, а также увеличивается ломкость поврежденных листьев. Чувствительность сельскохозяйственных культур и при родных растений к недостатку марганца различна. Так, наибо­лее чувствительны овес (симптомы недостаточности проявля­ются в виде серой пятнистости), горох (болотная пятнистость), сахарная свекла и некоторые виды фруктовых деревьев и ягод­ных кустарников.

Хотя дефицит марганца — обычное явление для некоторых сельскохозяйственных культур, растущих на нейтральных и кар­бонатных почвах, определить его и устранить весьма непросто. Поскольку прямые анализы почвы при установлении доступных для растений запасов марганца не очень надежны, необходимы тканевое тесты с учетом почвенных и полевых наблюдений.

Устранение дефицита марганца у сельскохозяйственных куль­тур осуществляется посредством как почвенной, так и листовой обработку. Оптимальные темпы и метод обработки детально рассмотрены в некоторых справочниках. Высокие темпы внесения Мn в почву или неподходящие его формы, как и изменчивость почвенных условий, могут оказывать токсическое действие на растения.

Токсическое воздействие марганца на некоторые сельскохо­зяйственные культуры может проявляться на кислых почвах со значениями рН около 5,5 или ниже и с высоким содержанием этого элемента. Однако критическое содержание марганца и неблагоприятные интервалы рН почв зависят от других различ­ных факторов среды. Например, токсичность Мn может прояв­ляться и при высоких значениях рН на плохо дренируемых (плохо аэрируемых) почвах. Если же кислые почвы отличаются очень низким общим содержанием марганца, то растения не испытывают токсического воздействия. По сообщению Бекуита и др., на затопляемых почвах из-за увеличения их рН не всегда отмечалось увеличение темпов поглощения марганца проростками риса.

При обработке почв в теплицах сухим паром количество до­ступного для растений марганца возрастает до токсичных уров­ней. Это явление тесно связано с биологической активностью почв.

Фой и др., рассматривая токсическое воздействие мар­ганца на растения, высказали предположение о комплексном его характере и указали на связь с другими элементами. Реакция растений на избыток марганца во многом зависит от различий между их генотипами. По данным Брауна и Дивайна, устойчивость растений к избытку Мn носит полигенный харак­тер и, по-видимому, связана с метаболизмом железа в растениях. Наиболее чувствительными к воздействию марганца оказались бобовые, поскольку его избыток влияет на образование корне­вых клубеньков и таким образом воздействует на фиксацию азота растениями.

Наиболее типичным проявлением токсического воздействия марганца является железистый хлороз. Характерны также по­явление некротических темных пятен на листьях, сморщивание листовой пластинки и неравномерное распределение хлорофилла во взрослых листьях. У сильно пострадавших растений отмеча­ется потемнение корней. Устойчивые к избытку Мn растения обладают способностью накапливать его в корневых тканях или осаждать в виде МnО главным образом в эпидермисе. [11,13,17]