Роль в жизни растений и микроорганизмов

Таблица Менделеева в живых организмах

Введение

Все живые существа состоят из химических элементов, содержание которых в них колеблется в широких пределах. Поэтому важно знать, какие элементы и в каком количестве полезны для растений, животных и человека, а какие вредны.

Само понятие «химический элемент», пожалуй, одно из самых важных в естествознании. Согласно одной из версий, оно образовалось при последовательном произношении букв латинского алфавита – l, m, n, t. Этим как бы подчеркивается, что все тела складываются из элементов так же, как слова из букв.

На разных этапах развития науки в понятие «элемент» вкладывался различный смысл. Древнегреческие философы «элементами» называли четыре «стихии»: тепло, холод, сухость и влажность, которые, сочетаясь попарно, образовывали четыре «начала» всех вещей – огонь, воду, воздух и землю. В Средние века к «началам» добавились соль, сера и ртуть. В XVII в. Р.Бойль высказал предположение, что все элементы материальны, их число может быть достаточно велико, и многие из них еще предстоит открыть. Элементами стали называть простые тела, которые не удалось разложить химическими методами на более простые. В 1789 г. французский химик А.Лавуазье составил «Таблицу простых тел», в которую включил все известные к тому времени элементы, а также, как оказалось впоследствии, и некоторые сложные вещества.

В начале XIX в. английский ученый Д.Дальтон приписал каждому элементу количественную характеристику – атомный вес (атомную массу). Элемент стали рассматривать как химическую индивидуальность.

В 1871 г. Д.И. Менделеев четко разграничил понятия «простое тело» и «элемент». Он писал: «Простое тело есть вещество, металл или металлоид, с рядом физических признаков и химических реакций. Под именем элементов должно подразумевать те материальные части простых или сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств». Менделеев считал, что углерод – элемент, а уголь, графит, алмаз – простые вещества. Понятие «элемент» было отвлеченным. Оно получило конкретное определение с разработкой модели атома.

Теперь под понятием «химический элемент» понимают совокупность атомов с одинаковыми зарядами ядер (Z). Для каждого элемента известны разновидности атомов, различающиеся по массе (точнее по числу нейтронов в ядрах). Эти разновидности называются изотопами.

В Периодической системе ныне размещено 118 элементов. Около 90 элементов существуют в природе, остальные получены искусственно, с помощью ядерных реакций. Некоторые недавно синтезированные элементы (с Z=112–118) имеют пока временные названия и символы, а остальные уже получили свои постоянные имена:

· 108-й элемент – хассий (Hs), атомная масса – 269 у.е.;

· 109-й – мейтнерий (Mt), атомная масса – 268 у.е.;

· 110-й – дармштадтий (Ds), атомная масса – 281 у.е.;

· 111-й – рентгений (Rg), атомная масса – 280 у.е.

Как показало изучение более 2 млн спектров около 15 тыс. звезд и Солнца, повсюду во Вселенной существуют одни и те же химические элементы, но распространяются они по-разному (табл.1, 2).

Таблица 1. Содержание во Вселенной некоторых наиболее распространенных элементов

Химический элемент	Относительное содержание (число атомов на 10 млн атомов водорода)
Гелий (He) Кислород (O) Углерод (C) Неон (Ne) Азот (N) Магний (Mg) Железо (Fe) Аргон (Ar) Алюминий (Al) Натрий (Na) Кальций (Ca) Фосфор (P) Калий (K) Литий (Li)	1 400 000 6 800 3 000 2 800 0,8 0,003

Таблица 2. Содержание химических элементов в земной коре

Химический элемент	Количество, %	Химический элемент	Количество, %
Кислород (О) Кремний (Si) Алюминий (Al) Железо (Fe) Кальций (Ca) Натрий (Na) Калий (K) Магний (Mg) Водород (H) Марганец (Mn) Иод (I) Фтор (F) Барий (Ba) Сера (S) Стронций (Sr) Литий (Li) Углерод (C) Хлор (Cl) Цирконий (Zr) Палладий (Pd)	47, 0 29,5 8,05 4,65 2,96 2,5 2,5 1,87 0,158 0,1 0,093 0,066 0,065 0,047 0,034 0,016 0,023 0,017 0,017 0,015	Ванадий (V) Цинк (Zn) Хром (Cr) Никель (Ni) Медь (Сu) Неодим (Nd) Иттрий (Y) Лантан (La) Ниобий (Nb) Галий (Ga) Азот (N) Кобальт (Co) Родий (Ph) Торий (Th) Бор (B) Селен (Se) Кадмий (Сd) Самарий (Sm) Олово (Sn) Уран (U)	0,009 0,0083 0,0083 0,0058 0,0047 0,0037 0,0029 0,0029 0,0020 0,0019 0,0019 0,0018 0,0016 0,0013 0,0012 0,0010 0,0008 0,0008 0,00024 0,00025

В отличие от Космоса, где преобладают водород и гелий, на нашей планете больше всего кислорода и кремния. По мере роста заряда ядра атома (Z) и на Земле, и в Космосе содержание элементов уменьшается.

В состав клеток живых организмов входит около 70 химических элементов, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. Однако соотношение химических элементов в живых организмах и в объектах неживой природы резко различаются.

В зависимости от содержания в живых организмах выделяют три группы элементов.

1. Макроэлементы – содержание в живых организмах от 80 до 0,01%. Это кислород (O), углерод (C), водород (H), азот (N), фосфор (P), калий (K), сера (S), хлор (Cl), кальций (Ca), магний (Mg), натрий (Na). На долю водорода, кислорода, углерода и азота приходится около 98% живого вещества. Эти четыре элемента вместе с серой и фосфором часто называют биоэлементами, т.к. они являются необходимыми составными частями молекул биологических полимеров (от греч. polys – много; meros – часть): белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов.

2. Микроэлементы – содержание в живых организмах от 0,01% до 0,000001%. Сюда относятся железо (Fe), йод (I), цинк (Zn), фтор (F), кобальт (Co), медь (Cu), селен (Se), хром (Cr), бор (B), молибден (Mo), марганец (Mn) и др.

3. Ультрамикроэлементы – содержание в живом организме менее 0,000001%. В группу входят серебро (Ag), ртуть (Hg), золото (Au), титан (Ti), никель (Ni), ванадий (V) и др.

Микроэлементы и ультрамикроэлементы в сумме составляют менее 1–2 % живого организма, но они нужны ему не меньше, чем макроэлементы.

Микроэлементы необходимы для протекания многих важнейших биохимических процессов (табл. 3). Их недостаток замедляет эти процессы и даже останавливает их. Около 30 микроэлементов входят в состав ферментов, коферментов, гормонов, витаминов, пигментов и других жизненно важных соединений. Активность почти 1/4 всех ферментов – катализаторов биологических реакций – регулируется ионами металлов: например амилаза, гидролизующая крахмал (Ca, Zn); АТФаза, гидролизующая АТФ (Mg); нитратредуктаза, восстанавливающая HNO₃ в HNO₂ (Мо, Fe); некоторые пептидазы, гидролизующие белки и пептиды (Zn, Mn, Co, Cu, Ca). Такие ферменты называют металлоферментами, а сами микроэлементы известный российский ученый-агрохимик А.В. Петербургский назвал катализаторами катализаторов.

Таблица 3. Участие микроэлементов в биохимических процессах в живых организмах и почве

Биохимический процесс	Микроэлементы
Дыхание Фотосинтез Синтез белков Кроветворение Углеводный, жировой, белковый обмены Синтез гумуса Фиксация молекулярного азота	Медь (Cu), цинк (Zn), марганец (Mn), кобальт (Co) Марганец (Mn), медь (Cu) Марганец (Mn), кобальт (Co), медь (Cu), никель (Ni), хром (Cr) Кобальт (Co), медь (Cu), марганец (Mn), никель(Ni), цинк (Zn) Молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), вольфрам (W), марганец (Mn), цинк (Zn) Медь (Cu) Молибден (Mo)

Таблица 4. Дневная норма потребления химических элементов для человека

Химический элемент	Суточная потребность, мг
Кальций (Са) Фосфор (P) Натрий (Na) Калий (К) Магний (Mg) Железо (Fe) Цинк (Zn) Хром (Cr) Кобальт (Co) Молибден (Mo) Селен (Se) Фтор (F) Йод (I)	800–1500 1000–1300 4000–6000 2500–5000 300–400 10–15 2–2,5 0,1–0,2 0,5 0,5 0,5–1,0 0,1–0,2

Для каждого организма микроэлементы требуются в определенных количествах. Полное отсутствие их в питании так же, как избыток, вызывает заболевание и гибель живых организмов от болезней, связанных с резким нарушением обмена веществ.

Растения извлекают микроэлементы из почвы, а животные и человек получают их из пищи и воды.

Некоторые химические элементы, обычно содержащиеся в организмах в малых количествах, по своей природе являются токсичными, например ртуть (Hg), свинец (Pb), кадмий (Cd) и некоторые другие. Но и обычные микроэлементы, если их слишком много, могут стать токсичными. Таким образом, можно заключить, что для организма токсичны не сами элементы, а их концентации.

В этой работе мы рассмотрим 38 химических элементов, наиболее распространенных в живых организмах.

Cтронций

Роль в жизни растений

Многие растения – табак, цикорий, шпинат, виноград, дуб, бук, морские растения – способны накапливать таллий из окружающей среды. С этим связано повышенное содержание таллия в золе каменных углей – 0,001–0,01%. В почвах в среднем содержится 0,00001% таллия. Для растений соединения таллия умеренно токсичны.

Роль в жизни растений

В растениях олово открыто в 1855 г. Этот металл относится к токсичным ультрамикроэлементам. Его содержание в растениях колеблется в широких пределах, наибольшее количество содержится в семенах подсолнечника и гороха. В овощах концентрация олова невелика и обычно составляет 1 мкг/г и ниже. Растением-индикатором, произрастающим на почве с высоким содержанием олова, является седмичник европейский.

Никель

Роль в жизни растений

Никель – необходимый ультрамикроэлемент для растений. Первые указания на нахождение никеля в растениях были сделаны В.И. Вернадским. Обычно его содержание не превышает 0,00005% (по массе), но некоторые растения (например, чай, какао, гречиха, морковь, салат) содержат его довольно много. Концентрируют никель и микроорганизмы – они содержат никеля в тысячи и даже сотни тысяч раз больше, чем окружающая среда. В ряде экспериментов установлено положительное влияние внесения никеля в почву на урожайность сельскохозяйственных культур, что, вероятно, вызвано стимуляцией микробиологических процессов нитрификации и минерализации соединений азота в почвах.

Токсичность никеля проявляется в подавлении процессов фотосинтеза и транспирации, появлении признаков хлороза листьев. Избыток никеля является причиной «боанг» (пустые орехи) – заболевания кокосовых пальм на Гавайских островах и может вызывать редукцию цветков, например, у прострела раскрытого.

Роль в жизни растений

Ртути в растительных организмах содержится около 0,000001%. Минимальное ее количество (0,01–0,02 мг/кг) накапливается в растениях, произрастающих на почвах с низкими концентрациями ртути (до 0,10 мг/кг), но по мере повышения концентрации в почве содержание ртути в надземных и корневых органах растений увеличивается до 0,018–3,0 мг/кг. В почвах большая часть ртути депонируется гуминовыми кислотами и гумином. Увеличение содержания гуминовых кислот в почве снижает количество ртути, усваиваемой растениями, за счет образования ртутьорганических комплексов. Под воздействием микроорганизмов такие комплексы могут разрушаться с образованием металлической ртути, которая, испаряясь, вновь поступает в атмосферу.

Ризомы водорослей могут поглощать ртуть из загрязненного донного грунта и служат ее источником для многих эпифитных организмов. У высших растений тонкие корни в большей степени, чем крупные, накапливают ртуть и играют роль барьера. Ртуть, поступающая из атмосферы в виде паров, сорбируется и прочно удерживается высшими споровыми (мхи) и хвойными растениями. Ртуть вызывает ингибирование клеточного дыхания, понижение ферментативной активности и др.

Органические соединения ртути используются в сельском хозяйстве в качестве фунгицидов, пестицидов. Для рекультивации земель, загрязненных ртутью, используют растения – концентраторы селена. Они способствуют «вытягиванию» ртути из более глубоких в верхние горизонты почвы и затем превращают ее в малорастворимый селенид ртути, не участвующий в биохимических процессах.

По санитарным нормам РФ содержание соединений ртути в растениях (картофель, овощи, зерновые) лимитируется на уровне 0,02–0,03 мг/кг.

Роль в жизни растений

О содержании висмута в растениях данных нет. Известно лишь, что концентратором висмута является шалфей.

Присутствует висмут в сигаретном дыме. Кроме того, наряду с другими микроэлементами (молиб-деном, медью, никелем, кобальтом, оловом, золотом, скандием) он обнаружен в мумиё.

Алюминий

Роль в жизни растений

Содержание алюминия в растениях составляет в среднем 0,02% (по массе), колеблясь от 4 мг/кг сухого вещества в картофеле до 46 мг/кг в репе. Организмы – концентраторы алюминия, например плауны (Lycopodiaceae), содержат его до 5,3% (в золе).

Алюминий оказывает вредное действие на растения, начиная с концентрации 1 мг/л воды, поэтому использование алюминийсодержащих сточных вод для орошения сельскохозяйственных культур нецелесообразно. Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, алюминий нарушает их поглощение корнями.

Избыток алюминия в почве приводит к деформации органов: листья большинства растений скручиваются, на них появляются белые пятна; падает урожайность зерновых культур, возделываемых на кислых почвах (около 40% всех обрабатываемых земель). При выпадении «кислотных дождей» токсичность алюминия повышается, поскольку он переходит в растворимое состояние и вымывается из глины. При этом в клетках корневой меристемы образуется весь спектр аберраций – геномных, хромосомных и хроматидных.

Ученые Корнельского университета при изучении сорго, пятой по важности зерновой культуры в мире, клонировали неизвестный ранее ген, обеспечивающий устойчивость к почвенному алюминию. Этот ген кодирует мембранный переносчик, активирующийся в ответ на воздействие алюминия и обеспечивающий высвобождение лимонной кислоты, эффективно связывающей токсичные ионы и предотвращающей их проникновение внутрь корней. С помощью нового гена ученые уже создали устойчивые к алюминию растения резушки Таля (Arabidopsis thaliana) и пшеницы, следующее на очереди сорго.

Роль в жизни животных и человека

Природные соединения алюминия (Al₂O₃) практически нерастворимы, поэтому они не усваиваются живыми организмами, тем не менее, в органах млекопитающих животных обнаружено от 0,00001 до 0,001% (по массе) алюминия.

В органах и тканях человека содержится от 0,2 до 0,6 мкг/г алюминия (в виде иона Al³⁺), который накапливается в костях, легких, печени, сером веществе головного мозга. Больше всего алюминия содержится в ногтях (до 927 мг/кг), волосах (до 10 мг/кг), зубах (до 325 мг/г). В яичниках, семенниках, мышцах, мозге среднее содержание алюминия составляет 0,4 мкг/г. На производстве при вдыхании пыли, содержащей соединения алюминия, его концентрация в легких может достигать 20–60 мкг/г. С возрастом в головном мозге и легких содержание алюминия увеличивается.

В организме алюминий участвует в образовании фосфатных и белковых комплексов; процессах регенерации костной, соединительной и эпителиальной тканей; оказывает, в зависимости от концентрации, тормозящее или активирующее действие на пищеварительные ферменты; влияет на функцию околощитовидных желез. Алюминий тормозит усвоение многих биоэлементов и витаминов (кальций, магний, железо, витамин В₆, аскорбиновая кислота) и серусодержащих аминокислот.

Алюминий в небольших количествах необходим для организма, особенно для костной ткани, а при избытке может представлять серьезную опасность для здоровья, вызывая алюминиевую энцефалопатию.

При длительном применении препаратов алюминия (альмагель, белая глина, гидроокись алюминия и др.), особенно с нарушением оптимальных дозировок, у людей пожилого возраста возможны токсические осложнения и нарушения функций центральной нервной системы. В целом алюминий относят к токсичным (иммунотоксичным) элементам. Токсическая доза для человека – 5 г. Оценивают содержание алюминия в организме по результатам исследований крови, мочи и волос. Среднее содержание алюминия в плазме крови составляет 2 мкг/л, в моче – 1–20 мкг/л, а в волосах – 1–20 мг/кг.

Дефицит алюминия развивается при его поступлении в организм в количествах менее 1 мкг/сутки.

В организм человека алюминий попадает в небольших количествах с растительными продуктами. Источниками повышенного поступления алюминия могут быть запыленный воздух (в районах расположения алюминиевых, горно-рудных, лакокрасочных, бумажных, текстильных предприятий), загрязненная питьевая вода и пища (особенно консервированная). Излишки алюминия могут содержать: чай, морковь, некоторые травы и плавленые сыры, лекарственные вещества, антациды, дезодоранты, бумажные полотенца, а также продукты, контактирующие с алюминиевой фольгой.

Роль в жизни растений

Содержание титана в растительных организмах составляет 0,000001% (по массе). Растения поглощают титан из почв. В небольших количествах он обнаружен во многих пищевых растениях. Наибольшее его количество содержится в водоросли Cladophora (0,032% по массе). Фосфорсодержащие комплексы титана ускоряют рост и развитие растений.

Ванадий

Роль в жизни растений

Содержание молибдена в растениях колеблется от 0,00001 до 0,001% (в пересчете на сухое вещество). Он накапливается преимущественно в молодых растущих органах (особенно богаты им семена растений), входит в состав ферментов, под действием которых происходит восстановление в клетках нитратного азота, играет большую роль в азотном обмене и синтезе белковых веществ, способствует усвоению азота, растворенного в воде, участвует в синтезе нуклеиновых кислот. Под влиянием молибдена в растениях увеличивается содержание углеводов, каротина и аскорбиновой кислоты, белковых веществ, хлорофилла и повышается интенсивность фотосинтеза.

При недостатке молибдена в растениях накапливается большое количество нитратов, образуются пятна на старых и средних по возрасту листьях, а их края закручиваются вверх, мелкие жилки теряют зеленую окраску, между жилками образуются ярко-желтые пятна. Молибден особенно важен для бобовых растений, т.к. концентрируется в клубеньках бобовых, способствуя их образованию.

Большие дозы молибдена весьма токсичны для растений. Избыток молибдена вызывает у томатов пятнистость, а у цветной капусты – нитевидность листьев.

Сверхконцентраторами молибдена являются: багульник болотный, горец птичий, плоды жостера слабительного, крапива двудомная, мята перечная.

Роль в жизни растений

Бериллий присутствует в тканях многих растений (в золе растений – около 0,0002%). Обычно в почвах содержится 0,0002–0,001% бериллия. Его накапливают ягоды брусники, кора лиственницы, горицвет амурский. Индикатором повышенного содержания бериллия в почве служит стеллера карликовая, а у молодых растений сосны при этом вместо обычных ветвей образуются уродливые.

Роль в жизни животных и человека

У животных бериллий распределяется во всех органах и тканях; в золе костей его содержится от 0,0005 до 0,007%. Около 50% усвоенного животным бериллия выделяется с мочой, около 30% поглощается костями, 8% обнаружено в печени и почках. В организме взрослого человека содержится от 0,4 до 40 мкг бериллия. Он обнаруживается в легких, лимфатических узлах, печени, сердечной мышце, костной ткани. Основной путь поступления в организм человека и животных – через дыхательные пути. Поступление с пищей и водой очень незначительно. Биологическая роль бериллия в основном определяется участием в обмене Mg и Р в костной ткани. В малых концентрациях бериллий тормозит активность щелочной фосфатазы и АТФазы. При избытке в рационе бериллия и недостатке фосфора у животных развивается не излечиваемый витамином D бериллиевый рахит, причиной которого, по-видимому, служит преимущественное (по отношению к костной ткани) связывание в кишечнике ионов фосфорной кислоты с образованием растворимого фосфата бериллия, что способствует ослаблению костной ткани.

Многие соединения бериллия ядовиты и могут стать причиной воспалительных процессов кожи и органов дыхания. При кратковременном вдыхании большого количества растворимых соединений бериллия возникает острый бериллиоз, иногда сопровождающийся отеком легких и удушьем. Для хронического бериллиоза характерны значительные функциональные нарушения организма. Допустимые пределы содержания бериллия в воздухе – 0,001мг/м³, а в воде – 0,0002 мг/л. Он относится к I классу опасности (особо опасные вещества).

Бром

Роль в жизни растений

Соединения брома всегда есть в растениях (в среднем 0,0007% по массе), но в разных частях растения содержание брома неодинаково: в зеленых частях его значительно больше, чем в корнях. Активно накапливают бром морские водоросли, бобовые растения, орехи. Много его в съедобных грибах: боровики, подберезовики, подосиновики содержат примерно 0,0014% брома (по массе). Многие растения концентрируют бром, рассеянный в почве, природных водах и атмосфере. По-видимому, этой способностью обладали и те растения, из которых получился каменный уголь.

Роль в жизни животных и человека

В организме животных содержание брома составляет в среднем 0,0001% (по массе). Бром входит в состав всех органов и тканей (особенно много его в щитовидной железе, гипофизе, крови), а также в различных секретах (слезах, слюне, поте, молоке, желчи). В тканях млекопитающих содержится 0,1–0,7 мг брома. Много брома содержат представители класса рыб.

В организме взрослого человека содержится около 260 мг брома, при этом его содержание в крови составляет 0,11–2,00 мг. Суточная потребность – около 0,8 мг брома. С помощью радиоактивного брома (⁸²Br) установлено его избирательное поглощение щитовидной железой, мозговым слоем почек и гипофизом. Бром может угнетать активность ферментов слюны и поджелудочного сока, а бромид натрия активизирует некоторые ферменты, участвует в переваривании жиров и углеводов. Введенные в организм животных и человека бромиды усиливают концентрацию процессов торможения в коре головного мозга, содействуют нормализации состояния нервной системы. Задерживаясь в щитовидной железе, бром вступает в конкурентные отношения с йодом, что влияет на деятельность железы, а в связи с этим – и на состояние обмена веществ. Растворы бромистого натрия и калия регулируют процессы возбуждения и торможения нервных импульсов – это используется при лечении нервных болезней (бессонницы, истерии, неврастении и т.д.). В наше время бромиды натрия и калия в медицине применяются все реже, их вытесняют броморганические препараты, более эффективные и, в отличие от бромидов, не раздражающие слизистые оболочки. Сейчас соединения брома применяют при лечении некоторых сердечно-сосудистых заболеваний, язвенной болезни, эпилепсии. Ежегодно с морской водой в воздух переходит около 4 млн т брома, так что очень полезно дышать морским воздухом.

Бром ядовит. Токсичная доза для человека – 3 г, а летальная – более 35 г. ПДК паров брома в воздухе – 0,5 мг/м³. Присутствие в воздухе порядка 0,001% брома приводит к головокружению, раздражению слизистых оболочек, кашлю, удушью. При легком отравлении парами брома необходимо дать пострадавшему вдыхать аммиак. Если жидкий бром попал на руки, то во избежание появления ожогов и медленно заживающих язв его необходимо сразу же смыть большим количеством воды, а еще лучше раствором соды. Затем пораженное место нужно смазать мазью, содержащей бикарбонат натрия.

Селен

Роль в жизни растений

Содержание селена в растениях составляет 0,000001% (по массе). Некоторые растения способны концентрировать селен, извлекая его из почвы. Среди них широко известный осенний цветок астра. Высоко содержание селена в луке, чесноке, оливках, маслинах, морских водорослях, бобовых, кокосах, фисташках, кешью, грибах. Богаты селеном водоросль спирулина, береза повислая, эвкалипт лекарственный, солодка уральская, донник лекарственный, эфедра полевая и хвощ полевой. Однако в последнее столетие наблюдается дефицит селена в почве и, как следствие, дефицит его в овощах. Селеновые удобрения не оказывают заметного эффекта из-за нитратов, хлоридов и фосфатов, которые связывают селен в нерастворимые соединения. Эксперименты показали влияние селена на устойчивость растений к разного рода стрессам за счет воздействия на накопление в листьях аминокислоты пролина.

Кремний

Роль в жизни растений

Кремний присутствует в волокнах механических тканей всех растений, и его содержание в среднем составляет 0,02–0,15%, а в сене – 0,1–3% (по массе). Чем жестче стебель растения, тем больше в его золе кремния. Рекордсменами по содержанию кремния среди наземных растений являются хвощи, мхи, злаки, пальмы. Так, в сухом веществе хвоща полевого содержится 9% кремнезема, а в золе – до 96%. До 10% кремния содержится в шелухе риса и 8% – в топинамбуре. Наибольшее количество кремния содержится в растениях (и кормах из них), произрастающих в степных, полупустынных, пустынных и горных районах.

Хотя содержание кремния в грунтовых водах невелико (20–50 мг/л), он поглощается растениями в значительных количествах: за год с 1 га зерновые извлекают 105–120 кг двуокиси кремния, бук – 63 кг, ель – 54, клевер – 20, овощи – 10, картофель – 8 кг.
Особенно много кремния могут накапливать некоторые морские растения (например, диатомовые водоросли) и животные (например, кремнероговые губки, радиолярии), образующие при отмирании на дне океана мощные отложения оксида кремния (IV). В холодных морях и озерах преобладают биогенные илы, обогащенные кремнием, в тропических морях – известковые илы с низким содержанием кремния.

Роль в жизни растений

В растениях содержится примерно 0,0001% лития (по массе). Наземные части растений богаче литием, чем корни. Литий положительно влияет на общее развитие растений (особенно корневой системы), улучшает транспорт калия, повышает устойчивость к болезням, усиливает фотохимическую активность хлоропластов в листьях (томаты) и синтез никотина (табак), влияет на водно-солевой обмен. Без лития растения не синтезируют полноценных витаминов группы В. При избытке лития в почве у полыни холодной замедляется рост, искривляется стебель, листья цитрусовых становятся пятнистыми.

Больше всего лития в растениях семейства розоцветных, гвоздичных, паслёновых (табак, дереза), лютиковых (василистник). Сверхконцентраторами лития являются: алоэ древовидное, белена черная, кассия узколистная, красавка (белладонна), сабельник болотный.

Роль в жизни растений

Содержание марганца в растениях составляет 0,001–0,01% (по массе). Значительное количество марганца накапливают некоторые ржавчинные грибы, водяной орех, ряска, бактерии родов Leptothrix, Crenothrix и некоторые диатомовые водоросли (Cocconeis). Он активирует некоторые ферменты, участвует в фотосинтезе и синтезе витаминов С, В, Е, способствует увеличению содержания сахаров и их оттоку из листьев, ускоряет рост растений и созревание семян.

При недостатке марганца снижается синтез органических веществ, уменьшается содержание хлорофилла – и растения заболевают хлорозом: на поверхности листьев между жилками появляются мелкие хлоротичные пятна, а сами жилки остаются зелеными. Отмечается слабое развитие корневой системы. Наиболее чувствительны к недостатку марганца свекла, картофель, яблоня, черешня и малина. У плодовых культур наряду с хлорозным заболеванием листьев отмечается слабая облиственность деревьев, более раннее, чем обычно, опадание листьев, а при сильном марганцевом голодании – засыхание и отмирание верхушек веток. Марганцевая недостаточность обостряется при низкой температуре и высокой влажности (озимые хлеба наиболее чувствительны к его недостатку ранней весной).

При избытке марганца происходит нарушение развития растения: у калифорнийского мака листья становятся бледно-зелеными, у гвоздики появляется несвойственная розовато-красная гамма окраски цветков, а у астры – несвойственная темно-пурпурная.

Роль в жизни животных

Содержание марганца в организме животных составляет в среднем 0,0001%, а в организме человека – 0,001% (от массы тела). До 0,01% марганца могут накапливать рыжие муравьи, некоторые моллюски и ракообразные. Марганец активно влияет на обмен белков, углеводов и жиров. Является катализатором обмена веществ, участвует в формировании костной ткани, необходим для функционирования ферментных систем и регуляции обмена витаминов, поддерживает определенный уровень холестерина в крови. Влияет на процессы кроветворения, ускоряет образование антител, действует на ЦНС, влияет на способность к размножению, укрепляет иммунную систему. (Морских свинок, зараженных смертельными дозами столбнячных и дизентерийных бактерий, противостолбнячная и противодизентерийная сыворотки не спасали, но одновременное введение хлористого марганца излечивало животных.) Марганец обнаружен во всех органах и тканях человека (наиболее богаты им печень, скелет и щитовидная железа). Суточная потребность животных и человека – несколько миллиграммов марганца (ежедневно с пищей человек получает 3–8 мг). Потребность повышается при физической нагрузке, недостатке солнечного света. Дети нуждаются в большем количестве марганца, чем взрослые. Новорожденные тяжело переносят недостаток марганца в молоке матери.

При недостатке марганца наблюдается задержка роста, замедление наступления половой зрелости, нарушение обмена веществ при формировании скелета. У птиц – нарушение развития крыльев.

Соединения марганца, применяемые в промышленности, могут оказывать токсическое действие на организм. Поступая в организм главным образом через дыхательные пути, марганец накапливается в паренхиматозных органах (печень, селезенка), костях и мышцах и выводится медленно, в течение многих лет. Предельно допустимая концентрация соединений марганца в воздухе – 0,3 мг/м³. При выраженных отравлениях наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма.

Роль в жизни растений

Содержание хрома в растениях составляет в среднем 0,005% (по массе). Хром обнаружен во многих овощах, ягодах, фруктах, в некоторых лекарственных растениях (сушеница топяная, гинкго билоба, мелисса и др.). Сверхнакопителем хрома является лобелия вздутая.

Роль в жизни растений

Содержание бора в растениях составляет 0,001% (по массе). Бор – один из наиболее важных микроэлементов, особенно для двудольных растений. Он необходим для развития меристемы, играет важную роль в делении клеток и синтезе белков и является необходимым компонентом клеточной оболочки. Улучшает синтез и перемещение углеводов, особенно сахарозы, ростовых веществ и аскорбиновой кислоты из листьев к органам плодоношения. Ускоряет прорастание пыльцы на рыльце пестика при опылении, стимулирует развитие плодов. Бор повышает устойчивость к бактериальным и грибным болезням, сохранность клубней и луковиц в зимний период, урожайность сахарной свеклы, льна, хлопчатника, овощных и плодово-ягодных культур. Вместе с урожаем культурных растений с 1 га почвы ежегодно уходит до 10 г бора. Особенно активно уносят его корнеплоды и кормовые травы.

Характерными признаками недостатка бора являются нарушение анатомического строения растений, например слабое развитие ксилемы, раздробленность флоэмы, основной паренхимы и дегенерация камбия, слабое развитие корневой системы.

Первые признаки недостатка бора проявляются в верхушечной части побега и на самых молодых листьях: происходит заболевание и отмирание точек роста. Особенно сильно страдают от недостатка бора репродуктивные органы растений, при этом больное растение может совершенно не образовывать цветков или их образуется очень мало, отмечается пустоцвет, опадание завязей.

При избытке бора у растений проявляется низкорослость. Растения-индикаторы реагируют на количество бора в почве по-разному: при высоком содержании бора у солянки образуются гигантские растения, а у полыни степной и солероса – карликовые, у бурачка двусемянного стебли утолщаются и искривляются, а у полыни душистой появляются шарообразные утолщения на молодых побегах.

Роль в жизни растений

Наибольшее содержание кобальта среди растений обнаружено в водорослях: примерно 0,00025% (по массе). Из овощных растений наиболее богаты кобальтом чеснок, картофель, овощи, бобовые и зерновые культуры. Накапливают кобальт и многие лекарственные растения, особенно сушеница топяная, черемуха, шиповник. Лучшим источником кобальта для коррекции его дисбаланса являются все виды шиповника.

Кобальт влияет на накопление в растениях азотистых веществ и углеводов и интенсифицирует их отток из вегетативных органов в генеративные, усиливает интенсивность дыхания и фотосинтеза, способствуя образованию хлорофилла и уменьшая его распад в темное время суток. Повышает общее содержание воды в растениях, особенно в засуху, и является абсолютно необходимым для размножения клубеньковых бактерий и фиксации ими азота. В растениях этот элемент встречается в ионной форме и в составе витамина В₁₂ (около 4,5%). Растения, как и животные, сами не синтезируют витамин В₁₂. Он вырабатывается бактериодами клубеньков бобовых растений и участвует в синтезе метионина. В природных условиях ослабления роста растений из-за кобальтовой недостаточности практически не наблюдается. Дефицит кобальта в растениях рассматривается главным образом в связи с необходимостью этого элемента для пастбищных животных. Недостаток кобальта в кормах наблюдается при его содержании в почвах менее 2,5 мг/кг. Критические уровни содержания кобальта, необходимого для питания пастбищных животных, оцениваются примерно в 0,08–0,10 мг/кг сухой массы.

Под влиянием повышенного содержания кобальта в почве изменяется внешний вид растенийиндикаторов: у бурачка двусемянного и кизильника появляются гигантские растения, в 3–5 раз выше обычных, а у лиственницы шишки образуются 2–3 раза в сезон, причем в апреле – белые, затем они становятся розоватыми, в июне желтеют, в июле становятся зелеными, а затем буреют.

Роль в жизни растений

В организме растений содержится в среднем 0,0001% йода (по массе). Поглощение йода растениями зависит от содержания его соединений в почвах и от вида растений. Некоторые организмы – морские водоросли (фукус, ламинария, филлофора) – накапливают до 1% йода. В 1 т высушенной морской капусты (ламинарии) содержится до 5 кг йода, в то время как в 1 т морской воды его всего лишь около 50 мг.

При избытке йода в почве у калифорнийского мака наблюдается аномалия роста – гигантизм цветков, а у некоторых растений преобладают в окраске цветков не свойственные им желто-красные тона.

Роль в жизни растений

Содержание фтора в растениях составляет 0,00001% (по массе). Много фтора содержится в рисе, луке, шпинате, яблоках. Особенно богат фтором чай, содержание фтора в нем 75–100 мг% (при заваривании чая в раствор переходит 2/3 фтора, так что в чашке может оказаться 0,1–0,2 мг фтора).

Роль в жизни растений

Содержание меди в растениях колеблется от 0,0001 до 0,05% (по массе)