Поступление и накопление фтора в растительности

Фтор не является необходимым для растений элементом. Естественное содержание фтора в растениях составляет по одним данным, менее 0,1-5 мг/кг сухого вещества (Томас М.Д., 1965) , по другим данным, 20 мг/кг сухого вещества или даже 3×10^-3% от сухого вещества (Михайлова Т.А., 2011). Фториды могут поглощаться из воздуха и почвы, причем наивысшее их содержание отмечено в листьях и хвое растений (Гудериан Р., 1979). Растения поглощают фтор из атмосферного воздуха более интенсивно, чем любую другую загрязненную примесь. Для фотосинтезирующего аппарата наибольшую опасность представляют водорастворимые соединения фтора (Рожков А.С. и др., 1980). В природных условиях фтор малодоступен для растений. В то же время в некоторых тропических почвах могут присутствовать его органические соединения (однофтористые), которые легкодоступны для растений и высокотоксичны для животных. Однако их происхождение еще не вполне ясно; по-видимому, они синтезируются некоторыми микроорганизмами

Доступность фтора для растений обычно не зависит от его общего содержания или количества растворимых форм. Однако в отдельных случаях отмечается прямая зависимость между содержанием этого элемента в растениях и его распределением в почвах. Отношения содержаний фтора в золе растений и в поверхностном слое почв составляют для культурной и природной растительности 0,2 и 0,6, соответственно. Эти данные свидетельствуют об относительно низкой биодоступности фтора (Фтор. Фториды. Потенциометрическое определение фторидов в почве).

Характер и глубина воздействия загрязнителя воздуха на растения зависят от количества загрязнителя, его химических свойств, а также от определяемой генотипом и условиями среды устойчивости растений. Более благоприятные почвенные и климатические условия определяют более высокую безвредную концентрацию фтора в листьях. Наибольшую опасность представляют водорастворимые соединения фтора. Концентрация лабильного водорастворимого фтора в растении зависит от процессов поглощения, распределения, связывания в устойчивые комплексы и выведения. Поступающие в ткань газы могут связываться как органическими соединениями, так и минеральными, что выражается в зависимости повреждаемости листьев от суммарного содержания зольных элементов и повышении их количества в процессе накопления фитотоксикантов. Наиболее устойчивыми являются комплексы с элементами, расположенными в больших периодах периодической системы с валентностью от 3 до 5. Плохой растворимостью в воде и, следовательно, подвижностью и токсичностью, характеризуются соединения фтора с кальцием, магнием, медью, железом (в порядке увеличения растворимости). KF, NaF, Na₂SiF₆, CuSiF₆ 6Н₂0 отличаются высокой растворимостью (Павлов И.Н., 1998).

Доказано, что влияние местопроизрастания на накопление фторидов в растениях в основном связано с разной степенью доступности и усвоения из почвы соединений фтора, среди которых водорастворимые формы доступнеедля растений, чем подвижные. При этом подвижные доступнее на равнинных лугах, чем на склонах, что способствует накоплению фторидов в подземной части растений равнинных территорий (Костышин С.С и др., 2011).

Растворимые формы фтора поглощаются из почвы корнями растений пассивно и, по-видимому, легко переносятся в растительных тканях. Это подтверждается данными по извлечению фтора растениями на полях.

Установлено, что степень абсорбции фтора из питательной среды люцерной и пшеницей положительно коррелирует с его концентрацией в растворе. Приводятся также данные, свидетельствующие об очень высокой аккумуляции фтора в семенах растений (до 3250 мг/кг сухой массы при содержании F в растворе 50 мг/кг). Это явление отражает возможное влияние образующихся комплексных соединений F, более доступных для растений по сравнению с ионными формами. Хотя приведенный пример показывает, что растения могут довольно легко извлекать фтор из загрязненных почв, биодоступность почвенного фтора значительно ниже биодоступности фтора воздушных соединений. Осажденный из атмосферы на почву фтор оказывает небольшое влияние или практически не влияет на содержание в растениях, однако это заключение оспаривается. Тем не менее, в случае одновременного загрязнения воздушным и почвенным фтором более активно он поглощается растениями из воздуха, а не из почвы. Аккумуляция растениями воздушного фтора зависит от многих факторов, но особенно сильно от его содержания в атмосфере и от продолжительности воздействия.

Поглощение газообразного фтора листьями, по-видимому, происходит тем же путем, что и поглощение других газов. Установлено, что проникновение фтора через кутикулу незначительно, однако в природных условиях поверхность большей части листьев имеет открытые устьица и многочисленные механические повреждения, которые содействуют поглощению этого элемента. Растворимые соединения фтора также могут адсорбироваться через кутикулы в случае выпадения их на листовую пластинку. Биологические факторы: вид растения, стадия его развития и др. являются важными доминантами при аккумуляции фтора растительностью (Фтор.Фиторемедиация, 2015).

Растения поглощают фтор из атмосферного воздуха более интенсивно, чем любую другую загрязненную примесь, что определяется его хорошей растворимостью в воде и высокой реакционной способностью. Взаимоотношение воздействие - реакция слагается из двух процессов: поглощение загрязнителя и реакция растения на поглощенный загрязнитель. Первоначально токсические вещества накапливаются в покровных тканях, затем проникают в мезофилл листьев и адсорбируются оболочками клеток, выстилающих дыхательные полости и каналы. В свою очередь, накопление в свободном пространстве ионов токсиканта выше определенного уровня приводит к постепенному разрушению целостности клеточных оболочек и нарушению нормального функционирования плазмалеммы. В результате токсикант проникает в цитоплазму, накапливается в жизненно важных органоидах клеток, в первую очередь – в хлоропластах, и происходит нерегулируемое поглощение токсических веществ (Танделов Ю.П., 2004).

Данные о фитотоксичности фтора при его поглощении корнями отсутствуют. В то же время установлено, что воздушный фтор, особенно в виде фтористоводородной кислоты, очень токсичен для растений. Наиболее значимое влияние фтора на метаболизм растений проявляется в следующих реакциях:

1) снижение темпов поглощения кислорода;

2) расстройство респираторной деятельности;

3) снижение ассимиляции (питательных веществ);

4) уменьшение содержания хлорофилла;

5) подавление синтеза крахмала;

6) подавление функции пирофосфатазы;

7) изменение метаболизма клеточных органелл;

8) повреждение клеточных мембран;

9) разрушение ДНК и РНК;

10) синтез фторацетата — наиболее токсичного соединения фтора (Фтор. Фиторемедиация, 2015).

Известно, что с увеличением концентрации фторидов ускоряется процесс старения тканей, что выражается в подавлении восстановительных реакций в процессе ассимиляции диоксида углерода, задерживание роста и развития (в особенности листьев), появление хлороза и некроза (Лозановская И.Н. и др., 1998).

Устойчивость растений к поступающему в ткань фтору будет зависеть от способности организма переводить токсикант в нерастворимые, не участвующие в физиологических процессах формы, то есть от наличия в ткани элементов с высокой осаждающей способностью. Установлено, что с увеличением повреждения возрастает количество вымываемого фтора (Азимов Р.А, 1974). Это говорит о том, что гибель организма наступает после полного связывания фтором свободных ионов, то есть заполнения буферных способностей организма, когда количество поступающих фтор-ионовпревышает способность данного растения обезвредить их (Павлов И.Н., 1998).

Обычно к устойчивым растениям относят спаржу, фасоль, капусту, морковь и иву, тогда как к чувствительным видам принадлежат ячмень, кукуруза, гладиолус, абрикос, сосна, лиственница. Однако между сортами и генотипами некоторых видов отмечается широкое разнообразие в отклике на накопление фтора в тканях. Чувствительные к воздействию фтора растения повреждаются при содержаниях его в листьях от 20 до 150 мг/кг сухой массы, менее чувствительные растения могут, вероятно, переносить до 200 мг F на 1 кг, а очень устойчивые не испытывают негативных воздействий при содержаниях не более 500 мг/кг (Фтор.Фиторемедиация, 2015).

Таким образом, обзор литературных данных показывает, что фториды относятся к соединениям преимущественно 2 класса опасности в воздухе и воде и 1 класса – в почве.

Фтор отличается высокой реакционной способностью, его различные соединения используют в промышленности.

Основными источниками выбросов соединений фтора являются энергетические установки, металлургические предприятия, особенно производство алюминия, производство фосфорной кислоты и фосфорных удобрений, химическая промышленность. Воздушная среда загрязняется фтористоводородной кислотой, а также твердыми фторидами.

На интенсивность миграции фтора в почве и на условия его осаждения определяющее влияние оказывают склонность его иона к комплексообразованию и возможность образования малорастворимого СаF₂ .Наибольшая адсорбция фтора минеральными компонентами почв отмечается при щелочных интервалах рН от 6 до 7 преимущественно в илистой фракции почв (до 70%) и в глинистой фракции почвы.

Фтор не является элементом, необходимым для растений. В то же время установлено, что воздушный фтор, особенно в виде фтористоводородной кислоты, очень токсичен для растений. Однако на загрязненных территориях они активно его поглощают из воздуха и почвы, причем из воздуха они поглощают его гораздо больше.