Первые опыты по влиянию паров ртути на растения были поставлены еще в конце XVIII в. голландскими химиками Дейманом, Паатсом, ван Тройствийком и Лауверенбургом. У бобов, мяты и сирени, помещенных под стеклянный колпак вместе с ртутью, через 24 ч листья становились пятнистыми. После нескольких дней обработки парами ртути растения погибали. Молодые цветочные почки розы оказались особенно чувствительными к наличию в воздухе паров ртути. Они погибали вместе с участками стебля, расположенными непосредственно под почкой.
Поглощенная корнями растений гороха ртуть слабо передвигается в надземные органы. Около 95 % поступившего в проростки токсиканта остается в корнях. Чем выше концентрация ртути в питательном растворе, тем больше накапливают ее корни. Около 40–50 % ртути в корнях прочно связано с фракцией клеточных стенок.
Одним из самых заметных эффектов действия этого элемента является ингибирование роста корней и побегов, что обусловлено, по-видимому, нарушением деятельности апикальных меристем. Действительно, метилртуть, растворенная в воде, накапливается в молодых тканях элодеи и оказывает токсическое влияние на апикальные меристемы, которое сильнее выражено с возрастанием концентрации и времени обработки. Уже в низких концентрациях (7,5∙10-10—7,5∙10-8М) метилртуть нарушает митотический цикл и снижает интенсивность деления клеток. При этом нередко возникают клетки, содержащие два и даже более ядер. Высокие концентрации фитотоксиканта способствуют распаду клеток и ядер.
Наряду с торможением роста под влиянием ртути наблюдаются и другие эффекты. Слабые концентрации фенилртути вызывают образование небольших опухолей на корнях пшеницы, выращенной методом гидропоники. При относительно высокой концентрации (100 мг/л бората фенилртути в 1 л питательного раствора) возникает хлороз листьев пшеницы. Хлористая ртуть, по-видимому, обладает меньшей токсичностью. В опытах с пшеницей она не вызывала хлороза листьев.
Ежегодное поступление кадмия из природных источников составляет 0,83 тыс. т, в то время как антропогенные источники дают 7,3 тыс. т. Таким образом, все природные источники загрязнения окружающей среды этим металлом отступают на второй план по сравнению с человеческой деятельностью. Главным загрязнителем атмосферы кадмием является цветная металлургия и обработка цветных металлов (5,31 тыс. т). Этот элемент широко используется в гальванотехнике и производстве сплавов, в красильном деле, для стабилизации хлорвинил-хлорида и т. д. Кроме того, кадмий поступает в окружающую среду при сгорании некоторых видов топлива и особенно при сжигании мусора и отходов (1,4 тыс. т).
Из атмосферы кадмий поступает в почву. Загрязнение ее этим элементом носит устойчивый характер, поскольку из почвы он вымывается чрезвычайно медленно.
Кадмий загрязняет и гидросферу. Только в Северном море вместе с дождем ежегодно привносится из атмосферы 230 т этого элемента. Из воды тяжелые металлы могут попадать в организмы животных. Содержание кадмия у рыб, употребляемых в пищу, относительно невелико, но оно очень высоко в таких органах, как печень, что может вызвать серьезные нарушения здоровья людей в случае использования печени рыб в пищевой промышленности.
Большое количество кадмия обнаруживается в растениях, произрастающих поблизости от автомобильных дорог. Так, например, в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости от автострады, количество кадмия возрастает в 11–17 раз. Между содержанием кадмия и расстоянием между деревом и дорогой существует статистически доказуемая обратная зависимость (достоверность 95 %). То же самое можно сказать и о растениях, произрастающих на разном расстоянии от предприятий, загрязняющих окружающую среду этим токсикантом.
Существует прямая зависимость между содержанием кадмия в почве и поступлением его в растения, однако между поглощением этого элемента и реакцией на него такой зависимости, по-видимому, нет. Так, сосна веймутова по сравнению с кленом красным и елью поглощает кадмий более интенсивно, однако видимые симптомы повреждения проявлялись у нее в меньшей степени, чем у этих растений. Симптомы избыточного поступления в растения кадмия проявляются в постепенном изменении окраски кончиков листьев и черешков до красновато-бурой и пурпурной. При этом листья скручиваются, становятся хлоротичными и опадают.
В опытах с рисом показано, что этот элемент замедляет темпы роста растений. При внесении его в количестве 20 мг на 1 кг почвы урожай растения снижался на 50 %. Аналогичное снижение урожая происходит и у пшеницы при внесении кадмия в почву в количестве 15 мг/кг. По силе своего действия на растения кадмий превосходит многие другие тяжелые металлы. Гибель растений отмечается при концентрации этого элемента в почве в количестве 30 мг/кг и выше. Неудивительно, что вблизи предприятий, выбрасывающих в атмосферу кадмий, наблюдается резкое снижение урожайности и даже гибель культурных растений.
Большое количество кадмия попадает в почву при разработке и добыче цинковых руд. На таких почвах нельзя выращивать растения, ибо этот токсикант аккумулируется в тканях растений и может затем поступать в организм человека. Накопление кадмия происходит главным образом в корнях растений риса и пшеницы, однако часть его достигает других органов.
Одна из причин торможения роста растений, произрастающих в присутствии кадмия, — резкое ослабление интенсивности фотосинтеза. Присутствие в 1 кг листьев 96 мг этого элемента снижает интенсивность фотосинтеза на 50 %. Однако это, безусловно, не одна и не главная причина токсического действия кадмия на растения.
Кобальт относится к числу элементов, необходимых для нормального роста растений. Он входит в состав витамина B12, образуемого растениями, необходим для фиксации атмосферного азота симбиотическими микроорганизмами, повышает засухоустойчивость растений.
Вместе с тем это один из наиболее токсичных металлов. Он сильно ингибирует прорастание семян табака, губительно влияет на растения. Так, например, присутствие в 1 кг почвы всего 14,6 мг кобальта приводит к сильному поражению и задержке роста растений овса. У фасоли, выращиваемой в питательном растворе в присутствии кобальта (10-6—10-5М), отмечена хлоротичность листьев, а при концентрации его 10-4 М — снижение веса надземной массы.
За счет естественных источников в окружающую среду поступает 18,5 тыс. т меди, тогда как в результате человеческой деятельности — 56,0 тыс. т. Главным источником загрязнения природной среды медью являются предприятия цветной металлургии и по переработке цветных металлов — 21,1 тыс. т. Поэтому в окрестностях медеплавильных заводов обнаруживается повышенное содержание этого металла.
Вместе с кобальтом и марганцем медь относится к числу микроэлементов, необходимых для растений. Для жизнедеятельности растений требуются очень небольшие количества меди. В случае избытка этого элемента на растениях возникают симптомы поражения, рост их резко замедляется. Так, например, у овса избыток меди вызывает побеление кончиков листьев, задержку роста первичных и образование вторичных корней, подавление формирования корневых волосков, замедление роста надземной части. В результате патологических изменений, возникших в растениях при избытке меди, урожай культурных растений резко сокращается. Так, например, внесение меди в количестве 300 кг на 1 га приводит к снижению урожая клубней картофеля в три раза.
Количество никеля, поступающего в атмосферу из природных источников, составляет 26,0 тыс. т, тогда как из источников антропогенного происхождения — 47,4 тыс. т. Он широко применяется в электротехнике и производстве сплавов, используемых для чеканки монет.
Под влиянием никеля подавляется прорастание семян табака, рост стеблей и корней, происходит отмирание точек роста. Одна из причин торможения роста растений — ослабление интенсивности фотосинтеза. Листья подсолнечника, содержащие в 1 кг своей массы 79 мг никеля, фотосинтезируют в два раза слабее, чем контрольные растения. Другая причина обусловлена, по-видимому, изменениями в регуляторной системе растений. Отмечено, что под влиянием никеля в верхних листьях томатов происходит повышение количества флавон-3-глюкозида. Исследователи считают, что уродства, возникающие под действием никеля на растения, обусловлены именно накоплением фенольных соединений.