книги из ГПНТБ / Якушевская, И. В. Микроэлементы в природных ландшафтах учеб. пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР
. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КАБИНЕТ ПО ЗАОЧНОМУ И ВЕЧЕРНЕМУ ОБУЧЕНИЮ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА имени М. В. ЛОМОНОСОВА
И. В. ЯКУШЕВСКАЯ
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДНЫХ ЛАНДШАФТАХ
(Учебное п о с о б и е )
Под редакцией член-корр. АН СССР
доктора геолого-минералогических наук профессора В. А. Ковды
ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1973
© |
jj |
Московский государственный университет, 1973. |
ВВЕДЕНИЕ
В современном естествознании учение о микроэлементах занимает одно из ведущих мест. Возникнув на стыке биологи ческих, химических и геологических дисциплин, это учение объединяет в настоящее время разнообразные естественные науки, круг которых с каждым годом становится все шире. Учение о микроэлементах составляет важнейшие разделы гео химии, агрохимии, биохимии, физиологии, географии, поиско вой геологии, почвоведения, начинает проникать в медицину, ветеринарию, фармакологию. Особо важное значение приобре ло учение о микроэлементах в современной молекулярной био логии: в понимании процессов промежуточного тканевого об мена веществ, синтеза биологически активных соединений и т. д.
Причина столь повышенного интереса к микроэлементам кроется в той колоссальной роли, которую они играют как в живом веществе планеты, так и в геологических процессах, протекающих в различных геосферах Земли. Микроэлементы «вездесущи». Они содержатся в породах и почвах, в атмос фере и гидросфере, во всех живых организмах, начиная с че ловека и крупных млекопитающих и кончая мельчайшими микроорганизмами. Микроэлементы как бы объединяют вое дино живую и «мертвую» природу.
Основные положения учения о микроэлементах разработа ны трудами В.И. Вернадского, В.М.Гольдшмидта, А.Е.Ферс мана, А. П. Виноградова. На необходимость микроэлементов для нормального развития растений указывал К. А. Тимиря зев (1872 г.).
Постепенное накопление разностороннего материала о микроэлементах привело к выделению и обособлению отдель ных научных направлений в разработке проблемы микроэле ментов: геохимического (М. А, Глазовская, Д. П. Малюга, А. И. Перельман, А. А. Сауков); биогеохимического (А.П.Ви ноградов, В. В. Добровольский,. В. В. Ковальский, В. А. Ковт да, К. И. Лукащев); физиологобиохимического (М. В. Власюк, А. И. Войнар, М.. В, Катадамов, Я- В- Пейве, М. Я. Школь ник) .
3
З Н А Ч Е Н И Е И РОЛЬ М И К Р О Э Л Е М Е Н Т О В
Несмотря на огромное количество работ в области микро элементов, до сих пор нет единого принятого всеми опреде ления термина «микроэлементы». Работники геологического профиля относят к микроэлементам редкие и рассеянные хи мические элементы, находящиеся в земной коре в количестве от 0,01% и менее. Биологи понимают под микроэлементами элементы, содержащиеся в животных и растительных организ мах в малых количествах (0,001% и менее). Понятия эти не тождественны. В организмах нередко роль микроэлементов выполняют столь распространенные в породах макроэлемен ты, как, например, магний, железо, алюминий. Деление на макро- и микроэлементы довольно условно. Но несмотря на это, термин «микроэлементы» широко вошел в научную лите ратуру и получил всеобщее признание.
Нам кажется удачным определение микроэлементов, пред ложенное проф. Е. П. Троицким, в основе которого не количе ственные показатели, а качественная характеристика эле мента, определяемая его ролью в биологических системах. «Каждый химический элемент, малые дозы которого обуслов ливают нормальное течение биологического процесса, назо вем микроэлементом... Один и тот же химический элемент мо жет быть в одних случаях микроэлементом, а в других — макроэлементом в зависимости от той роли, которую он вы полняет в системе живого вещества» (Троицкий Е. П., 1960).
Значение и роль микроэлементов в биологических объектах определяется участием их в большинстве важнейших биохими ческих процессов: дыхания, фотосинтеза, азотистого и нукле инового обмена, т. е. почти во всех процессах синтеза и пре вращения веществ в организмах как растительных, так и жи вотных. Микроэлементам в этих процессах принадлежит роль активаторов ферментативных систем. Микроэлементы могут входить как в состав активных центров ферментов, образуя металлоэнзимы, так и катализировать реакцию вне фермента, давая временные неустойчивые комплексы, облегчающие вза имодействие фермент-субстрат. (М. Диксон и 3. Уэбб, 1966). Большинство микроэлементов активаторов и кофакторов фер ментов относится к катионам (Rb+ , Cs+, Z n 2 + , Cd 2 + , С г 3 + , Cu2 +, Mn2 +, Fe2 + , Co2+, Ni2 +).
Повышенная реакционная способность их определяется электронной конфигурацией атомов, а именно: незаполнен
ностью |
внутренних электронных оболочек |
(d или f) на |
том |
или ином уровне. Наибольшее значение имеют элементы |
d-ce- |
||
мейства |
с незаполненными uf-оболочками |
(Sc — Zn). В |
каче |
стве примера можно привести расположение электронов для
железа, типичного |
представителя d-семейства. |
i |
152[2S22j56]3523p63rf64S2 |
4 |
|
Следует отметить, что ни отдельно металл, ни отдельна белковая часть фермента не обладают высокой энергией акти вации и лишь совместное их присутствие обусловливает вы сокую реакционную способность. Так, одна молекула каталазы, содержащая ион железа, способна к разложению 5 000 000 молекул Н2О2 в минуту, с одной простетической группой эта
реакция идет со скоростью 1 000 молекул в минуту, а с мине |
|||
ральными солями железа — со |
скоростью |
5 000 000 |
молекул |
в 300 лет (К. Вилли, 1964). |
|
|
|
Наиболее вероятно, что микроэлементы |
в ферментативных |
||
системах выполняют функцию |
связывающего звена |
между |
|
ферментом и субстратом. Возможно, что связь эта осуществ
ляется по типу хелатных |
соединений с образованием |
фермент- |
||||||||
субстратного комплекса. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Например, при действии лейцинаминопептидазы |
на дипеп- |
|||||||||
тид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н О Н |
|
СОО1 |
|
|
|
||||
|
I |
II |
I |
|
I |
|
|
|
|
|
R , - C — C - N - C - R , |
субстрат |
|
||||||||
|
I |
|
I |
|
I |
|
|
|
|
|
|
N H a |
J |
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
\ |
Мп2 + |
|
|
|
|
|
||
/ / |
/ |
/_Х |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ / |
фермент |
||
/ |
/ |
/ |
|
|||||||
или глицилглициндипептидазы на |
пептид |
|
|
|||||||
|
|
Н |
О |
Н |
Н |
|
|
|
|
|
|
|
I |
II |
|
I |
I |
|
|
|
|
|
Н—С—С—N—С—Н |
|
|
|
||||||
|
|
II |
|
|
I |
I |
|
|
|
|
|
|
NH 2 |
|
\ |
СОО1 |
|
|
|||
|
|
|
\ |
С |
o i |
+ S |
|
|
|
|
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
|
|
В большинстве случаев микроэлементы, особенно в истин |
||||||||||
ных металлоэнзимах |
(с |
прочной |
связью |
Е — М) |
обладают |
|||||
строгой специфичностью, |
т. е. замена |
одного микроэлемента |
||||||||
другим, даже очень близким по химическим свойствам, невоз можна. К этой группе ферментов относятся: дегидропептида-
за (Zn2 +), пероксидаза |
(Fe2 +), цитрохромы |
(Fe2 + ), |
уриказа |
||
( С и 2 + ) , пролидаза (Мп 2 + ) и другие. |
|
|
|
||
В некоторых же ферментах происходит смена микроэле |
|||||
ментов без |
нарушения |
функции системы. Подобная |
«неспе |
||
цифичность» |
чаще всего |
свойственна |
ферментам, |
непрочно |
|
связанным с микроэлементами, как, например, |
фосфоглюкому- |
||||
таза (Mg, Мп, Сг и Со), лецитин-аза |
(Са, Mg, Со, Zn, Мп), |
||||
5
дрожжевая фоафатаза (Mg, Mn, Со, Fe, N i ) ' и другими. Но резкой границы между двумя этими группами ферментов нет. В последнее время было обнаружено, что в некоторых фер ментах, считавшихся специфичными в отношении металлов, возможна замена. Это, в частности, относится к карбоангидразе и карбоксипептидазе, где цинк может замещатьсяна ко бальт, медь, марганец, никель, железо. Но во всех этих слу чаях «предпочтение» отдается тому металлу, который обра зует с ферментом более стойкие комплексы (М. Я. Школь ник, 1963).
В настоящее время известно, что ферменты, участвующие в превращении веществ в живой клетке, связанные с дыха нием, активируются Mgf+, Fe2 + , Cu2+, Zn2 ^ M n 2 + , Co2 + . Про цесс окисления стимулируется присутствием в среде бора и титана.
M n 2 + , Fe2 + , Cu2 + входят в |
состав ферментов, |
обеспечи |
||
вающих фотосинтез, на интенсивность его оказывает |
влияние |
|||
присутствие В, Со, А1, Мо. Передвижение |
веществ |
в организ |
||
мах стимулируется В, iMn, Zn, |
Си, Мо. В |
азотистом |
обмене |
|
принимают участие Мо, Fe, W, V, Со. В цоследнее время по явилось много работ, посвященных изучению роли микроэле
ментов в нуклеиновом обмене и |
биосинтезе белков ( M g 2 + , |
Mn2 +, Fe2+, Со2 +, Cu2 +, Hg2 +, №2 +, |
Сг3 +). Причем, микроэле |
менты здесь не только входят в состав ферментов, но и дают комплексные соединения типа хелатов с нуклеиновыми кисло тами и их компонентами, стабилизируя структуру последних и ускоряя процессы синтеза белков. Большое значение в этих реакциях имеет бор.
Микроэлементы участвуют также и в процессах синтеза
витаминов Bi2 (Co), С(Мп), Д(Мп) |
и |
Bi(Mn и Zn), входят |
|
в состав гормона щитовидной железы |
(J2 ), 'стимулируют дея |
||
тельность гормона гипофиза (Си) и т. д. |
|
||
Не менее важное значение принадлежит |
микроэлементам |
||
в почвообразовательном процессе, |
но |
этот |
вопрос мало изу |
чен, здесь много неясного. Сделаны лишь первые шаги, но тем не менее некоторые общие положения могут быть констати рованы.
Микроэлементы участвуют в процессе разложения расти-
•тельных остатков, в процессах синтеза гумусовых веществ, в образовании органо-минеральных соединений и даже в раз рушении минеральных компонентов почв. Роль микроэлемен тов в почвообразовании, в основном, сводится к активации биохимических реакций как в составе ферментативных систем, так и вне их.
Например, установлено участие в гумусообразовании пероксидазы (Fe2 + ) и полифенолоксидазы (Си2 +), содержащих микроэлементы. Микроэлементы входят в состав большинства ферментов, обусловливающих все сложные превращения орга- 6
инческих веществ почвы: каталазы (iFe2 + ), |
протеазы, уреазы |
||
( С и 2 + ) , инвертазы, |
фосфотазы |
( М п 2 + , Со 2 + ) |
и т. д. |
По этой линии |
намечается |
определенная коррелятивная |
|
зависимость: микроэлементы — ферменты — биологическая активность почв — почвенное плодородие. Содержание и 'со отношение ферментов в почвах может служить своеобразным индикатором на ее активность, на ее плодородие. Чем плодо роднее почвы, чем более они окультурены, тем выше их фер
ментативная |
активность |
(таблица 1). |
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1 |
Активность |
ферментов |
в зависимости |
от окультуренности почв |
|
(Галстян А. Ш., |
1963) |
|
|
|
Ш J3 |
|
|
|
s |
а |
|
Почва |
s i |
g |
|
2 § а |
||
|
|
O.S |
с |
|
|
а ч |
|
|
|
«шt-t-а ^ |
|
|
|
s а |
я |
Бурая |
слабоокульту- |
8,0 |
|
ренная |
|
|
|
КаталазаО 1насмг поч |
вы |
Уреазав мг кг1иапочвы |
Амилазав мг мальтозыв почвыг1 за сутки Полифенолоксидаза» мг пурпургалина г100наза 31м |
Дегидрэзыв трифенилмг - формазана 100наг поч 30завыи |
Урожайв озимойц/га пшеницы |
|
в |
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2,6 |
1,7 |
1,9 |
9.1 |
4,0 |
15,8 |
|
i |
14,8 |
2,8 |
2,3 |
' |
2,8 |
15,6 |
6,2 |
21,7 |
Среднеокультуренная |
||||||||
Сильноокультуренная |
20,4 |
3,8 |
3.7 |
|
4,1 |
19,5 |
9,4 |
29,5 |
«Роль микроэлементов в почве в основном сводится к их влиянию на характер обмена веществ у микроорганизмов, к активированию ферментов и биохимических процессов корне вой системы и биосинтеза гумуса. Таким образом, они служат •одним из существенных факторов синтеза и разрушения орга нического вещества... В синтезе нативной гуминовой кислоты принимают непосредственное участие микроэлементы середи-
.-ны IV большого периода, в особенности Mn, Fe, Си, Zn» (Троицкий Е. П., 1957).
В настоящее время уже накоплен обширный материал, ка сающийся содержания микроэлементов в почвах.и породах; имеются сведения, характеризующие отдельные формы соеди нений микроэлементов, доступность их растениям, распределе ние микроэлементов по генетическому профилю почв и основ ные закономерности распределения их по элементам ланд шафта.
Разработка в первую очередь проблемы количественного
.содержания микроэлементов в почвах понятна, поскольку поч в а является тем важнейшим звеном, откуда начинается путь микроэлементов в организмы. Для. нормального развития рас тений, а следовательно и животных, в том числе и человека,
7
почвы должны содержать достаточное количество микроэле ментов, в нужном «ансамбле» и соотношении, а также в до ступной форме. Как избыток, так и недостаток микроэлемен тов нежелателен, концентрация их должна укладываться в определенные оптимальные границы. Резкие отклонения от оптимума в ту или иную сторону обусловливают появление эндемических заболеваний растений, животных, людей.
Так, недостаток Со в почвах вызывает болезнь крупного рогатого скота, овец и коз — акобольтоз, гипо- и авитаминоз,, «сухотку».
Недостаток Си сопровождается анемией крупного рогато го скота, атаксией и параличом у овец, болезнью полегания и невызревания сельскохозяйственных растений, особенно зла ков.
Избыток Си приводит также к анемии, сопровождающей ся перерождением печени.
Следствием недостатка В являются эндемические заболе вания растений: гниль сердечника сахарной свеклы, побурение цветной капусты, бактериоз льна и др.
Избыток В оказывает вредное влияние на животные орга низмы, вызывая появление «борных» энтеритов, часто с пнев мониями.
Как недостаток, так и избыток фтора связан с заболева
нием зубов (кариес и флюороз).
Недостаток Мо обусловливает ряд болезней сельскохозяй ственных растений: желтую' пятнистость цитрусовых, нитевидность цветной капусты. С избытком Мо связана эндемиче ская подагра.
Недостаток йода сопровождается эндемическим зобом.
Недостаток или избыток |
того или |
иного микроэлемента |
не только сам вызывает нежелательные |
реакции в организмах,, |
|
но и приводит к нарушению |
нормального функционирования |
|
других микроэлементов. Так, например, недостаток Со пони жает обмен йода, избыток свинца и молибдена сопровождает ся низкой усвояемостью меди.
Необходимость определенного набора микроэлементов и определенного их соотношения может быть проиллюстрирова на на* примере синтеза отдельных ферментов и их активности.. Для образования иодсодержащих аминокислот в щитовидной" железе, необходимо присутствие не только йода, но и кобаль та, меди, марганца. Синтез ксантиноксидазы печени и почек определяется соотношением меди, молибдена. Особенно тес
ная связь существует |
между |
следующими |
макро- и микро |
|
элементами: Са — Sr; |
М о — С и ; Ni — С и ; |
Си — Мо — РЬ; |
||
J — Со — Си — Мп. Нередко |
присутствие ряда ионов |
подав |
||
ляет активность ферментов. Подобным «ингибитором» |
являет |
|||
ся цинк по отношению к имидопептидазе, активируемой мар-
8
ганцем, и креатинфосфокиназе, содержащей магний, марганец и кальций.
Тесная взаимосвязь отдельных микроэлементов определяет необходимость тщательного изучения микроэлементного соста ва почв и осторожного подхода к рекомендациям по внесению микроудобрений и применению подкормок. Этот вопрос услож няется недостаточностью сведений о доступности тех или иных форм соединений микроэлементов и отсутствием универсаль ных методик по определению подвижных форм.
По валовым запасам микроэлементов далеко не всегда можно судить об обеспеченности почв. Часто даже при зна чительных количествах микроэлементов в почвах растения испытывают недостаток их, что связано с нахождением микро элементов в труднодоступной форме. Подобные случаи хоро шо известны для торфяных почв, где медь прочно соединена с органической частью почвы и не может быть использована растениями. Пониженная усвояемость меди и марганца на блюдается при известковании почв в результате образования труднорастворимых соединений.
Краткий обзор роли микроэлементов в организмах позво ляет сделать вывод о том, что микроэлементы определяют в значительной степени жизнеспособность растений, животных, человека.
В этой связи в последнее время стало развиваться новое направление микроэлементной проблемы: лечебно-профилак тическое и фармакологическое. Оно базируется на положении о роли микроэлементов в процессах обмена веществ. Естест венно предположить, что на болезни, связанные с нарушением обмена веществ, должно оказывать как лечебное, так и про филактическое действие введение микроэлементных препара тов. Подробными клиническими исследованиями установлена связь между некоторыми заболеваниями и микроэлементами. Нарушение соотношений меди, титана, алюминия, кремния и марганца в различных частях головного мозга вызывает забо левание нервной системы (генатоцеребральную дистрофию); повышенное содержание никеля в крови приводит к появле нию экзем; нарушение обмена меди связано с болезнью Бот кина; недостаток меди, кобальта и марганца—с малокровием. Применение солей микроэлементов при лечении этих и неко торых других болезней дает положительный эффект. Препара ты меди рекомендуются при лечении диабета и эпилепсии; меди, кобальта, марганца — при малокровии; йода, марганца и кобальта — при зобе; меди и алюминия — при лечении кож ных заболеваний; марганца — при ожирении и атеросклерозе; меди, кобальта и титана — при токсикозе у беременных жен щин.
Большой интерес представляет применение препаратов меди при лечении инфекционных заболеваний и выработке со-
9