В той или иной степени и форме почти все известные природные химические элементы вовлечены в состав живого вещества (растений, животных, человека), присутствуют в биосфере и в ее компонентах.
Но относительное физиологическое значение химических элементов, хорошо изученное для макробиофилов (H, C, O, N, P, Ca) и некоторых микроэлементов (Mn, I, Cu, B), еще не известно для многих элементов и их изотопов. Здесь немало спорного и противоречивого.
Многие микроэлементы за миллиарды лет формирования различных форм жизни стали абсолютно необходимыми для организмов (йод, цинк, медь, марганец, молибден, бор и др.). Без этих элементов организмы, даже полностью обеспеченные макробиофилами (углерод, кислород, водород, азот, калий, фосфор, кальций), не могут нормально развиваться.
Однако многие рассеянные элементы (включая и необходимые) в аномально высоких концентрациях являются угнетающими и токсическими для растений, животных, человека. Поэтому определяющее значение имеет уровень концентрации элемента, форма его соединений, а также соотношение с другими элементами.
В общем виде практически для каждого элемента приходится различать (кроме формы соединений и соотношения с другими) четыре уровня концентраций: дефицит элемента, когда организм страдает от недостатка, оптимальное содержание, способствующее хорошему состоянию организма, терпимые концентрации, когда депрессия организма лишь начинает проявляться, и концентрации губительные (фатальные) для данного организма.
Среди токсических элементов микроэлементами наиболее низких безвредных концентраций являются бериллий, кадмий, ртуть, селен. Их допустимая концентрация характеризуется величинами 0,1—5 мг/кг. Диапазон и уровень безвредных концентраций для мышьяка, свинца, меди, бора, никеля, олова примерно на порядок выше — 2—5—10—20 мг/кг. Еще выше этот показатель для ванадия, никеля, цинка, фтора, хрома — 10—20—50—200 мг/кг.
Обращает на себя внимание, что так называемые «терпимые» концентрации для микроэлементов наибольшей токсичности составляют 10—20 мг/кг, но для ртути, кадмия и бора терпимые концентрации еще ниже (не выше 5 мг/кг). Разброс этих данных и широкие диапазоны «терпимости» свидетельствуют об огромном значении общего геохимического фона (соотношения с другими элементами), форм соединений, видов и сортов растений, условий погоды. Так, селен может уменьшить токсичность мышьяка, кадмия, ртути, таллия и, наоборот, токсичность селена может быть смягчена или увеличена присутствием мышьяка, меди, германия.
При решении проблемы концентрации и соотношения микроэлементов следует учитывать реакцию не только растений, но и животных. Для животных из общего числа элементов 50—60 считаются необходимыми, конечно, в микроконцентрациях: фтор, кремний, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, мышьяк, селен, молибден, свинец, йод.
Отрицательный эффект высоких концентраций микроэлементов зависит не только от общего содержания, но и от типа почв и вида растений. Сильнее токсическое действие тяжелых металлов сказывается на кислых подзолистых почвах. Слабее оно проявляется на окультуренных подзолистых почвах и еще меньше — на черноземах. Вероятно, одной из причин этого является интенсивное поглощение металлов глинистыми минералами и гумусом почв. Перечень физиологически необходимых для растений микроэлементов все же значительно шире, чем считалось прежде.
Итак, бесспорно, что для создания биомассы растений почвенный покров нуждается в широком и разнообразном составе микроэлементов. Их может не хватать в особо кислых, выщелоченных или в истощенных почвах. Но при избытке, вызванном геохимическими условиями или техногенными факторами, они могут быть токсичны. Нужна большая биогеохимическая осведомленность о микроэлементах не только в почвах, но и в водах, растениях и пище. Последнее особенно важно. Интенсивность биологического накопления большинства тех же элементов в организме человека на 1—3 порядка (т. е. в 10—100—1000 раз!) меньшая, чем в растениях, или даже отрицательная (Mn, Ni, Co, Li, Be, Sr, Br, Mo).
Организмы и почвообразование активно влияют на геохимию макро — и микроэлементов. Приведены обзорные данные, оформленные в нашей интерпретации и группировках, характеризующих направленность биогеохимических процессов, вызванных живым веществом. Почвы по сравнению с составом земной коры, как и следовало ожидать, значительно обогащены азотом и углеродом (К = 100 и 1000 соответственно). Это же характерно для химического состава растений по сравнению с почвенным покровом; но интенсивность биогенного обогащения C и N у растений выражена на порядок выше (1000 и 10 000). При этом фосфор аккумулируется в растениях с большей интенсивностью, чем в почвах.
Эти данные еще раз подтверждают положение об исключительно важном значении C, N, P в плодородии почв и формировании биомассы растений. Следует отметить весьма высокие индексы накопления в растениях Br, Cl, Mn, S, Cd и заметное обогащение биомассы растений (К ≈ 10 : 100) многими микроэлементами, включая и те, которые при повышенных концентрациях справедливо считаются токсическими (Be, Sr, Hg, Pb, Mo, Cu, Ni).
Накопление микроэлементов в почвах, естественно, выражено слабее, чем в растениях (на порядок ниже). Но все же и в изученных почвах мира обнаруживается некоторое (с индексом 1—10) накопление 25—24 микроэлементов, в том числе и тех, которые при повышенных количествах токсичны. Этими же порядками величин (К ≈ 1 : 10) накопления характеризуются в почвах и некоторые макроэлементы: Са, Al, Si, S, К. Они, впрочем, характеризуются более интенсивным накоплением в составе растительной биомассы.
Естественно, что для разных элементов, форм их соединений, а также организмов конкретные величины оптимальных и токсических концентраций различны. Их необходимо устанавливать с помощью тщательных лабораторных и полевых исследований на местах.
Особенно это необходимо в современную индустриальную эпоху, когда окружающая человека среда интенсивно перегружается разнообразными соединениями макро — и микроэлементов, поступающими в виде газов, аэрозолей, жидких и твердых отходов.
В настоящее время каждый город, поселок, шахта, завод, магистральная дорога, нефтепромысел, теплоцентраль являются источником распространения повышенных концентраций различных микроэлементов и в геохимическом смысле неоаномалийным локальным образованием.
Аномалии, вызванные отходами индустриальных предприятий, существенно сказываются на расстоянии до 10—15 км. В ослабленной форме, особенно в направлении сильных ветров и водного стока, дальность загрязнения проявляется на расстоянии 30—50 км.
Органические и летучие соединения ртути, селена, теллура, мышьяка, свинца, таллия, палладия, образующиеся в выхлопных газах автомобилей, особо тревожат исследователей в связи с загрязнением воздуха, почв, воды, пищи. В современных городах и индустриальных центрах концентрация этих элементов в воздухе и почвах почти всегда превышает допустимые уровни. Избыток или недостаток определенных микроэлементов или их групп вызывает специфические заболевания человека, животных и растений.
Так, эндемический зоб у человека связан с дефицитом йода, особенно если это сопровождается недостатком меди, кобальта или избытком марганца. Повышенные концентрации некоторых микроэлементов (кадмий, цинк и кобальт, никель) вызывают канцер. Напомним, что канцерогенны также нитраты, полициклические ароматические углеводороды. Дефицит меди в сочетании с дефицитом железа, цинка, кобальта вызывает анемию.
Избыток ртути и кадмия в почвах, водах и пище вызвал в Японии тяжелые болезни человека — Минамата, Итаи-Итаи. То же обнаружилось в некоторых районах Скандинавии и Северной Америки.
Дефицит железа, марганца, цинка часто (особенно на карбонатных почвах) вызывает хлороз растений. Есть указания на то, что дефицит меди отзывается на задержке образования в организмах каталазы, гемоглобина, что способствует серьезным заболеваниям человека.
Крайне сложна и противоречива биологическая оценка селена. Его токсичность при повышенных концентрациях отмечена во многих регионах Америки, Европы, Австралии. Большинство растений не накапливают селен (не более 0,05—0,10 мг/кг Se). При избытке Se все домашние животные болеют (нервные расстройства, слепота, облысение, нефрит, анемия). При недостатке селена развивается род авитаминоза (Е), болезни печени, дегенерации мускулов (особенно у молодняка), эксудативные диатезы и др. Селен явно необходим в минидозах организму животных и человека (Lag, 1980).
Подкисление почв индустриальными атмосферными выпадениями и физиологически кислыми удобрениями способствует усилению токсичности ртути и одновременно потере почвой запасов меди и селена, что увеличивает предпосылки заболеваний, связанных с дефицитом этих элементов.
В биогеохимии почв формируется очень важное новое направление исследований: выяснение связей между здоровьем, питанием человека и геохимическими особенностями почв и питьевых вод. Нет сомнений в том, что такие связи существуют, так как трофические (пищевые) цепи начинаются от почв и питьевой воды и включают в себя растительные и животные звенья. Эти связи, конечно, очень сложны.
Перемещение жителей, экспорт и импорт продовольствия, сооружение оросительных или осушительных систем меняют исходную биогеохимическую среду и усложняют поиски и выяснение связей между ландшафтом и человеком. Однако тщательные крупномасштабные картограммы биогеохимии почв и здоровья коренных жителей позволяют получить достоверные выводы.
По данным французского исследователя A. Voisin (1959), в странах Западной Европы рак желудочно-кишечного тракта чаще встречается у коренного населения регионов с глинистыми заболоченными почвами, где отмечается дефицит меди. Регионы почв, богатых углекислым кальцием, наоборот, экологически более благоприятны и частота этих заболеваний меньшая. География распространения рака в Нидерландах также подтверждает большую частоту заболеваний в дельтовых частях и глинистых низменностях страны (Voisin, 1959). Есть указания на то, что районы с низкой концентрацией магния в почвах и водах характеризуются большей частотой раковых заболеваний. Имеется ли связь при этом с медью или другими элементами — пока неизвестно.
Проблема выяснения причин заболеваний крайне сложна. Вероятно, было бы недопустимым упрощением сводить все к избытку или дефициту одного-двух микроэлементов. Так, в отличие от приведенных выводов о том, что дефицит Cu в глинистых многогумусных почвах является ведущей причиной этих заболеваний (Voisin, 1959), финский исследователь (Marjanen, 1980) получил обширные статистические данные, показывающие, что в Финляндии повышенная концентрация меди играет скорее отрицательную роль, а наличие подвижного марганца является фактором, значительно снижающим число раковых заболеваний.
Очевидно, учитывая возможное отрицательное или положительное значение тех или иных микроэлементов, следует оптимизировать их содержание в суточном рационе человека. По данным зарубежных исследователей (Finck, 1982), следует в суточной диете не превышать для I, Со, Se, Cr, Mo, V, Sn дозу 0,2 мг; для F, Cu, Mn дозу 1—2 мг; для Zn, Fe дозу 10 мг. Для макроэлементов K, Na, Cl, P доза суточного потребления значительно выше и измеряется граммами. Меньшие дозы вызывают нарушения функций организма, ненормальный рост, анемию, нервные расстройства, снижение фертильности и бесплодие.
Сложились некоторые стандартные показатели биологического значения содержания микроэлементов в почвах. Для меди концентрация менее 15 мг/кг считается совершенно недостаточной для растений и животных; 15—60 мг/кг — нормальная, а более 60 мг/кг — токсичная, вызывающая хлороз и болезни растений. Для молибдена концентрации меньше 1,5 мг/кг считаются недостаточными, 1,5—4 мг/кг — нормальными, а больше 4 мг/кг — токсичными для растений и вызывающими болезни зубов у человека (Speidel, Agnew, 1982).
Некоторые микроэлементы при избыточном содержании в почвах резко подавляют внутрипочвенную биологическую активность. Об этом можно судить по резкому уменьшению образования углекислоты при инкубации почв с добавками микроэлементов. Наиболее токсичными для микрофлоры почв оказались кадмий, хром, менее токсичными — цинк, медь и особенно свинец. Дозы в 50 мкг/г почвы в 1,5—2 раза снижают эмиссию углекислоты. Большие же дозы понижают биохимическую активность почв в 3—7 раз. Очень тщательными исследованиями М. М. Умарова и Е. Е. Азиевой (1980) доказано, что загрязнение черноземов и сероземов тяжелыми металлами (Cd, Pb, Zn, Си) снижает азотфиксирующую способность почв. Особенно отрицательно влияние кадмия. Азотфиксация — хороший индикатор на степень загрязненности почв токсическими соединениями. Азотбактер, актиномицеты, некоторые виды дрожжей весьма чувствительны к тяжелым металлам (Бабьева и др., 1980).
Развитие новых методов анализа микроэлементов и тревога за здоровье человека с детского возраста вызвали к жизни исследования микроэлементов в грудном молоке. Национальная академия США опубликовала исследования, установившие в молоке присутствие 15 элементов, из которых медь, йод, железо, марганец, цинк иногда оказываются в дефиците. Но это предмет дальнейших исследований и обсуждений.