Микроэлементы можно рассматривать как антагонисты если

Антагонизм и синергизм макро- и микроэлементов

Макро- и микроэлементы, составляющие основу питания и оказывающие влияние на жизнедеятельность не только растений, но и всех живых организмов, находятся в тесном взаимодействии друг с другом. Поэтому главным фактором, обеспечивающим нормальный рост, развитие и функционирование культур, является соблюдение правильного баланса химических составляющих в питательной среде и в самом растении.

Всем культурам, в зависимости от их жизненного цикла, генотипических особенностей их биохимического состава и окружающей среды, требуется определенное соотношение питательных веществ. Этот баланс имеет более важное значение, чем фактическая концентрация отдельных элементов в питательном растворе. Ни один химический элемент в природе не действует изолированно от других.

При этом правильное соотношение микроэлементов в питании с учетом их взаимодействия между собой является не менее значимым и сложным, чем баланс макроэлементов. Чтобы обеспечить растения сбалансированным составом элементов, необходимо учитывать не только их физиологическую роль в жизни культур по отдельности, но и оказываемое влияние на растительный организм в результате их совместного действия.

Почти все элементы, входящие в состав питательных веществ, находятся между собой в одной из двух форм взаимодействия: антагонистической либо синергической. Игнорирование этого фактора приводит к несбалансированным реакциям внутри самого растения, в результате чего оно получает стресс, который может оказаться губительным.

Антагонизм между элементами возникает в том случае, если их общее участие в химических реакциях приводит к ухудшению действия одного из них. Так, избыток одного элемента может снижать уровень поглощения корневой системой растения другого элемента. Вот некоторые примеры антагонизма макро- и микроэлементов:

· чрезмерное количество N (азота) уменьшает поглощение P (фосфора), К (калия), Fe (железа ) и некоторых других элементов: Ca (кальция), Mg (магния), Mn (марганца), Zn (цинкa), Cu (меди);

· чрезмерное количество Р (фосфора) уменьшает поглощение катионов таких микроэлементов как Fe (железо), Mn (марганец), Zn (цинк) и Cu (медь);

· чрезмерное количество К (калия) уменьшает поглощение Mg (магния) в большей степени и Ca (кальция) в меньшей степени;

· чрезмерное количество Ca (кальция) снижает поглощение Fe (железа);

· чрезмерное количество Fe (железа) снижает поглощение Zn (цинка);

· избыток Zn (цинка) ухудшает доступность Mn (марганца).

В отличие от антагонизма синергизм представляет собой комплексное действие элементов (двух или более), при котором достигается усиление положительного результата их влияния на растение. С помощью практических и лабораторных исследований установлены такие примеры синергизма элементов:

· достаточное количество N (азота) обеспечивает оптимальное поглощение K (калия), а также P (фосфора), Mg (магния), Fe (железа), Mn (марганца) и Zn (цинка) из почв;

· достаточный уровень Cu (меди) и B (бора) в почве улучшает поглощение N (азота);

· oптимальнoе количество Мо (молибдена) повышает усваиваемость культурами N (азота), а также увеличивает поглощение Р (фосфора);

· достаточное количество Ca (кальция) и Zn (цинка) улучшают усвоение P (фосфорa) и K (калия);

· оптимальный уровень S (серы) повышает поглощение Mn (марганца) и Zn (цинка);

· достаточное количество Mn (марганца) увеличивает поглощение Cu (меди).

Нередко помимо этих двух групп элементов (антагонистов и синергистов) выделяют также третью группу, куда входят элементы, блокирующие действие друг друга. Например, одновременное присутствие в питательном растворе Cu (меди) и Ca (кальция) приводит к поглощению растением лишь одного из этих компонентов.

Явление, когда два или более элементов при совместном действии создают эффект улучшения физиологического состояния растения, называется синергизмом . В обратном случае, когда избыток одного из элементов уменьшает поглощение другого, наблюдается физиологический антагонизм . Эти взаимодействия зависят от типа почвы, физических свойств, рН, окружающей среды, температуры и доли участвующих питательных веществ.

Синергизм и антагонизм элементов связаны с электронным строением их атомов и ионов. Если наблюдается сходство в строении двух или более элементов, то они способны замещать друг друга в биохимических системах, что и вызывает антагонизм этих питательных веществ.

Агрономы всегда должны учитывать конкуренцию элементов, содержащих аналогичные по размеру, валентности и заряду ионы. Это очень важно при составлении сбалансированного комплекса удобрений, необходимых для прогрессирующего развития культур. Явления синергизма и антагонизма питательных веществ имеют особо критическое значение для растений, когда содержание этих элементов в почве приближено к дефициту.

Источник

Сложные взаимоотношения элементов питания

Карпеня Г.М., кандидат сельскохозяйственных наук.

Недостаток или избыток элементов питания в растениях может быть обусловлен не только их количеством, но и возможным проявлением антагонизма или синергизма при их поглощении из почвы и усвоении из удобрений. В итоге это отражается на питании культур, урожайности и качестве. Однако на практике при составлении стратегии внесения удобрений этот фактор часто игнорируют.

Когда соотношение элементов питания важнее их содержания?

Согласно статистике, на первом месте в ряду неблагоприятных факторов, вызывающих заболевания растений и человека, стоит нарушение питания. Для сельскохозяйственных культур сбалансированное минеральное питание макро- и микроэлементами определяет их развитие, устойчивость к неблагоприятным факторам среды, урожайность и качество растениеводческой продукции.

Между различными макро- и микроэлементами существуют сложные взаимоотношения. Элементы, похожие между собой по физико-химическим свойствам или размеру атомов, могут активно взаимодействовать или конкурировать в системах, которые ответственны за их всасывание, транспорт или метаболизм. Необходимо хорошо представлять такого рода взаимоотношения, чтобы избежать потерь одних элементов при внесении других.

Впервые о вопросах взаимодействия между элементами питания растений начали задумываться ещё в XIX веке. Тогда опытным путем было установлено, что растения лучше растут при определенном балансе между питательными элементами в растворе.

Физиологически уравновешенным считают такой почвенный раствор, в котором катионы и анионы находятся в оптимальном соотношении, что обеспечивает наиболее эффективное использование растением питательных веществ.

Вместе с этим у каждой культуры существует свой «рацион» питания, который заключается в индивидуальном балансе элементов питания. Содержание и соотношение элементов питания в различные фазы вегетации обусловлено генетически, что помогает растениям реализовать свой биологический потенциал (табл. 1, 2).

Растение поглощает больше тех элементов, в которых нуждается. При этом соотношение между элементами не менее важно, чем абсолютное содержание каждого из них. При использовании минеральных удобрений наиболее значимыми для питания культур являются следующие соотношения между ионами: N : S, NO 3 : K, NO 3 : Ca, NO 3 : Mo, SO 4 : Ca и P : Ca.

Таблица 1. Соотношение N:Р:К в растениях кукурузы при нормальных условиях питания и увлажнения, % [1]

Таблица 2. Оптимальное соотношение между элементами в отдельных культурах во время цветения* [4]

*рассчитано по значениям содержания в ррт, 1 ррт = 1 мг\кг

Опасность дефицита в питании.

Следствием любого дефицита питания является снижение урожайности и ценности продукции. Неполноценное питание подрывает иммунитет растений, ослабляя их противостояние грибным и бактериальным инфекциям. Таким примером является сухая гниль корнеплодов свеклы. Это заболевание способно обесценить практически весь урожай, а его истинной и легко устраняемой причиной является нехватка бора в период вегетации растений. Дефицит элемента не всегда обусловлен его недостатком в почве или растении. Он может вызываться взаимодействием с другими элементами, приводя к нарушению физиологических функций у растений. Пример ‒ функциональный (кальциевый) хлороз, который проявляется в обесцвечивании листьев или угнетении точек роста (на посевах льна).

Видимые симптомы дефицита микроэлементов могут проявляться на известкованных почвах с высоким значением рН (более 6,0), в условиях низкой обеспеченности почвы их подвижными формами или при выращивании чувствительных к их недостатку культур и нарушении технологии возделывания.

Внешне признаки нарушения условий питания культур проявляются, когда в обмене их веществ произошли глубокие изменения, последствия которых полностью ликвидировать уже невозможно.

Элементы питания по их способности перемещаться в растениях делятся на:

‒ повторно используемые, или реутилизируемые (N, Р, К, Мg),

‒ слабореутилизируемые (Са, В, Сu, Мn, Fe, Zn).

Недостаток повторно используемых элементов питания четко проявляется на состоянии уже развитых, закончивших рост листьев, а слабореутилизируемых ‒ на самых молодых, растущих частях растений.

Виды взаимодействия между элементами.

Между различными ионами (элементами питания) в среде возможно проявление синергизма или антагонизма, а также отсутствие их взаимодействия.

Антагонизм анионов менее выражен и свою отрицательную роль может играть в неуравновешенных растворах, при резком преобладании того или иного иона. Это хорошо изучено на примере известкования почв, когда резкое повышение концентрации кальция может снизить поступление в растения К и Мg.

Отдельные микроэлементы также могут тормозить всасывание других. Однако это происходит лишь при длительном и избыточном поступлении более активного конкурента-антагониста. В случае сбалансированного питания конкуренция будет незначительной.

Взаимодействия между ионами имеют сложную природу. Отклонение концентрации одного элемента на 30-100% от его оптимального содержания в субстрате ведет к изменению поглощения растением других элементов питания. Так, повышение концентрации элемента сминимума до оптимального значения активизирует процессы обмена веществ в растении и как следствие – стимулирует поступление других элементов (синергизм). При дальнейшем повышении концентрации этого элемента в растворе соотношение элементов питания уже нарушается. Так синергические отношения могут перейти в антагонистические.

Явление антагонизма и синергизма в поглощении макро- и микроэлементов может определяться:

— уровнем содержания в среде и растении других элементов минерального питания, их соотношениями,

— видом растений, особенностью их корневой системы,

— температурой, освещенностью и влажностью.

Взаимодействие элементов может происходить в разных средах – в почве, в зоне корневой системы и внутри растения.

Взаимодействие элементов в почве.

В почве содержатся вещества, способные образовывать устойчивые соединения с компонентами удобрений. Так, при внесении фосфорных удобрений или избыточном содержании фосфатов в почве снижается доступность для растений цинка. Аммиачные и аммонийные азотные удобрения также могут образовывать малорастворимые комплексные соединения с цинком и медью. Основным влиянием азотных удобрений является изменение рН почвенного раствора в сторону подкисления, что отражается на увеличении доступности для культур марганца и на других почвенных реакциях. В известкованных почвах отмечается дефицит всех микроэлементов, кроме молибдена. Поэтому даже в отсутствие видимых симптомов недостатка микроэлементов навысокопродуктивных посевах обязательно вносят микроудобрения в некорневые подкормки.

При избытке магния в почве наблюдается его антагонистическое действие на поступление Са и К в растения. Поэтому при регулярном известковании кислых почв доломитовой мукой, которая содержит магний, проводят мониторинг содержания обменного Mg. В условиях Беларуси, где длительное время почвы известкуются доломитовой мукой, запасы магния в почвах выросли в несколько раз. В итоге при содержании обменного магния в почвах республики более 300 мг MgО/кг он отрицательно влияет на дальнейший рост урожайности культур. Оптимальным считается эквивалентное соотношение Са 2+ : Mg 2+ в почвах в пределах от 2 до 7. Соотношение катионов кальция к магнию на пашне Беларуси в настоящее время составляет от 4,1 до 3,2, а на луговых землях – от 5,4 до 3,4, находясь в допустимом диапазоне. Содержание подвижного калия (К 2 О) в почве принято считать избыточным, если оно превышает 4,5% от ёмкости катионного обмена на песчаных и супесчаных почвах и 5% ‒ на суглинистых (Богдевич И.М., 2011).

Взаимодействие между элементами питания отражается и на качестве растениеводческой продукции. Так, накопление калия в сухом веществе кормовых культур должно находиться в пределах оптимума – от 1,2 до 2,2% (К) и не превышать допустимую зоотехническую норму 3%, а эквивалентное соотношение катионов К/Са + Mg следует поддерживать на уровне 1,6-2,2 (Богдевич И.М., 2008, 2011).

«Кислотные» условия для взаимоотношений.

Для развития большинства культур оптимальна близкая к нейтральной реакция среды – рН 6,0-6,5. Но надо знать, что для различных удобрений она широко варьирует: для аммонийного питания – рН 7,0, для нитратного – рН 5,5.

В зависимости от температуры окружающей среды изменяется реакция раствора на удобрения. Оптимальная температура воздуха для потребления растениями фосфора и азота ‒23-25° С. При низких температурах (ниже 10°С) особенно плохо усваивается фосфор, а лучше всего – калий.

Элементы питания наиболее интенсивно поступают в растения при оптимальной влажности почвы около 60% от полной влагоемкости, обеспечивающей стабильное физиологическое состояние, хорошее развитие корней и быстрый транспорт ионов к поверхности корней.

Взаимодействие в ризосфере и поглощение корневой системой растений.

Микроорганизмы наиболее активно развиваются в зоне соприкосновения с корнем растений (в ризосфере). Ризосферные микроорганизмы используют для своего питания корневые выделения, не позволяя им накапливаться в токсичных для растения концентрациях. Однако микрофлора почвы может играть как положительную, так и отрицательную роль.

Полезные микроорганизмы способствуют переводу труднорастворимых элементов почвы и удобрений в биодоступные формы, фиксируют атмосферный азот, выделяют биологически активные вещества: витамины, стимуляторы роста и другие полезные вещества. При этом они могут вызывать и негативные для растений процессы: биологическую иммобилизацию, газообразные потери азота при денитрификации, а некоторые микробы выделяют токсичные соединения.

Полезные микроорганизмы предпочитают слабокислую или нейтральную реакцию почвенной среды. Поэтому важно применять удобрения и технологии, способствующие развитию полезных и подавлению вредных организмов.

Между ионами с похожими свойствами при их транспортировке через плазматическую мембрану корневого волоска наблюдается конкуренция. Катионы конкурируют с другими катионами, а анионы – с другими анионами. Физико-химическое сходство между ионами не позволяет эффективно различать их. Так, трудно различимы при поступлении в растения сульфат (SO 2- 4 ) и селенат (SeO 2- 4 ) ионы, сульфат (SO 2- 4 ) и молибдат (МоO 2- 4 ) ионы и др.

Чувствительность растений к концентрации раствора.

На питание растений влияет общая концентрация почвенного раствора. Верхний предел находится в интервале 2-3 г/л раствора всех питательных солей, вызывая пропорциональный рост интенсивности поглощения элементов питания. При избыточной концентрации растения вянут и погибают. Особенно вредна для культур повышенная концентрация микроэлементов. Наиболее чувствительны к повышенной концентрации лён, морковь, люпин и огурцы, а также все молодые растения.

Взаимодействие внутри растения и метаболизм.

Если в почве Zn и P ведут себя как антагонисты, то в растении они уже помогают друг другу (синергизм). При дефиците цинка в растении угнетается поступление фосфора. Синергизм между N и K определяется ролью калия в качестве активатора фермента нитратредуктазы, принимающего участие в метаболизме азота в растении.

Взаимодействие бора с калием объясняется схожестью их влияния на процессы цветения и образования плодов, деления клеток, водный обмен в растении и др. Оптимальный уровень бора повышает проницаемость клеточных мембран для калия.

Недостаток в растении серы приводит к ограниченному поглощению азота, а высокие дозы азота вызывают дефицит серы. В растениях оптимальное соотношение N:S ‒ 5:1-12:1.

Только оптимальное содержание в растении N обеспечивает нормальное поступление в них из почвы К, Р, Mg, Fe, Mn и Zn, а оптимальный уровень бора и меди улучшает поглощение растениями азота. Молибден повышает усвоение азота и фосфора.

Избыток фосфора в сильной мере угнетает поглощение растением катионов микроэлементов – Fe, Mn, Zn и Cu. Избыток калия угнетает поступление в растения Mg и в меньшей мере Са, Fe, Cu, Mn и Zn. Избыток кальция приводит к снижению поступления В, Mn, K и Cu.

Повышаем эффективность использования элементов питания.

В агрономической практике существуют приемы преодоления антагонизма и стимулирования синергизма элементов питания.

1. Вносить элементы питания разными способами: обработка семян, внесение в почву, некорневая подкормка. От совместного использования этих приемов в системе удобрения культур достигается наибольший эффект.

Не забывайте при этом, что листовая подкормка не является основным источником элемента при его дефиците в почве, а только как дополнение. Обработка семян микроэлементами, преимущественно в форме хелатов, также оберегает их от антагонизма с другими ионами почвенного раствора. Известно, что раствор карбамида в некорневую подкормку стимулирует проникновение железа в растения.

2. Корректировать сроки внесения разных элементов в период вегетации в соответствии с биологической потребностью культур. Так, синергизм между N и K можно использовать при их совместном внесении.

3. Учитывать особенности развития корневой системы, когда NР-удобрения можно вносить на значительную глубину.

4. Учитывать свойства разных форм вносимых удобрений (физиологически кислые или щелочные).

5. Хороший эффект даёт использование смешанных посевов культур (бобовых излаковых).

Литература.

1. Рекомендации по оптимизации фосфорного и калийного статуса пахотных почв в зависимостии от уровня интенсификации земледелия по областям и районам Беларуси / Под. ред. И.М. Богдевича. РУП «Институт почвоведения и агрохимии». – Минск, 2008.

2. Оптимизация и поддержание агрохимических свойств дерново-подзолистых почв, обеспечивающих стабильно высокую урожайность и качество продукции основных сельскохозяйственных культур: рекомендации / И.М. Богдевич [и др.]. – Минск: Ин-т почвоведения и агрохимии, 2011.

3. Логинова И. Сложные взаимоотношения между элементами: антагонизм и синергизм //Специальный выпуск изданий «Агрохимия-2015». – К.: Инфоиндустрия, 2015. – С. 33-37.

Узнавайте первыми актуальные агрономические новости России и мира на наших страницах

Источник

Текст книги «Микроэлементы: бодрость, здоровье, долголетие»

Автор книги: Анатолий Скальный

Жанр: Здоровье, Дом и Семья

Текущая страница: 3 (всего у книги 12 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]

Как микроэлементы оказывают свое влияние на организм?

Микроэлементы находятся в организме главным образом не в виде свободных ионов, а в связанном (с белками, аминокислотами, другими органическими соединениями) состоянии, они входят в состав активных центров многих ферментов. Так, 90 % меди в сыворотке крови связано с α2-глобулинами, в частности белком церулоплазмином, обладающим аниоксидантными, противовоспалительными свойствами, а также аминокислотами и лишь несколько процентов меди находится в виде свободных ионов. Около 70 % железа в организме человека входит в состав гемоглобина, 20–25 % находится в связанном виде (ферритин, гемосидерин) в печени, костном мозге, селезенке. Медь и железо входят в состав или активируют около 30 ферментов, а цинк – более 200.

Участие микроэлементов ускоряет или замедляет течение тех или иных биохимических процессов в организме человека, то есть микроэлементы выступают в роли катализаторов или ингибиторов этих процессов. В результате в организме повышается или понижается концентрация отдельных белков, жиров, углеводов, ферментов, других необходимых для жизни веществ, и таким образом замедляется или ускоряется восстановление поврежденных тканей, рост и развитие клеток, возрастает или снижается насыщение организма кислородом, углекислым газом и др., то есть изменяется тканевое дыхание. При этом необходимо помнить, что при нарушении баланса концентрации микроэлементов в организме и тканях человека активность выработки или утилизации различных соединений (гормонов, белков и др.) изменяется не в арифметической, а в геометрической прогрессии. Так, при потере молекулой угольной ангидразы, отвечающей в организме за утилизацию CO (угарного газа) всего одного атома, а молекулой алкольдегидрогеназы – одного из четырех атомов цинка, активность этих ферментов снижается в десятки раз (то есть плохо нейтрализуются угарный газ и алкоголь). Нехватка железа и меди нарушает, соответственно, нормальный синтез гемоглобина и витамина B12, что ведет к малокровию. Дефицит селена приводит к нарушению антиоксидантной активности глютатионпероксидазы, хрома – к снижению активности фактора толерантности к глюкозе, отвечающего за чувствительность организма к сахару, и так далее. С другой стороны, механизм токсического действия многих тяжелых металлов обусловлен их способностью вытеснять и замещать в молекулах ферментов и других биологически активных веществ «нужные» микроэлементы-антагонисты, что ведет к изменению свойств этих веществ и, естественно, ухудшает обмен веществ в организме.

Таким образом, микроэлементы оказывают свое действие на организм человека в основном опосредованно, через изменение деятельности ферментов, гормонов, белков, витаминов и прочих биологически активных веществ, содержащих микроэлементы в своем составе или чувствительных к изменению их концентраций в окружающей среде.

С кем и против кого «дружат» микроэлементы

Об антагонизме и синергизме химических элементов

Минеральные вещества могут взаимодействовать как между собой, так и с другими питательными веществами и другими факторами. Это взаимное влияние типа синергизма или антагонизме осуществляется в самой пище, пищеварительном канале, а также в процессе тканевого и клеточного метаболизмов.

С практической точки зрения знание этих закономерностей позволяет предупреждать нежелательные формы взаимодействия и явления так называемых вторичных дефицитов макро– и микроэлементов у человека.

На рис. 2 представлена наиболее совершенная, на наш взгляд, схема, отражающая синергизм и антагонизм макро– и микроэлементов в организме (направление стрелки отражает характер взаимодействия).

Рис. 2. Взаимодействие химических элементов (по B. Momcilovic, 1987)

Схема, разумеется, не отражает всех возможных вариантов взаимодействия. Кроме того, нельзя недоучитывать также и возможную специфику взаимосвязей у представителей разного пола, при различных физиологических состояниях, в различное время на года, под влиянием различных психоэмоциональных и физиологических нагрузок.

Вероятность взаимодействия между минеральными веществами вследствие их лабильности и способности к образованию связей значительно больше, чем между другими питательными веществами.

Синергистами считают элементы, которые: а) взаимно способствуют усвоению друг друга в желудочно-кишечном тракте; б) взаимодействуют в осуществлении какой-либо обменной функции.

Антагонистами можно считать элементы, которые: а) тормозят всасывание друг друга в желудочно-кишечном тракте; б) оказывают противоположное влияние на какую-либо биохимическую функцию в организме. Так, фосфор и магний, цинк и медь взаимно тормозят абсорбцию друг друга в кишечнике, а кальций ингибирует абсорбцию цинка и марганца (но не наоборот).

К чему приводят дефицит и избыточное поступление микроэлементов?

Рис. 3. Причины возникновения и последствия микроэлементозов (по: Скальный, Кудрин, 2000)

Наиболее часто выявляемые дисбалансы макро– и микроэлементов и сопровождающие их основные симптомы и состояния

Многолетний опыт работы ЦБМ показывает, что около 80 % населения имеют более или менее выраженный дисбаланс микроэлементов.

Что такое микроэлементозы и атомовитозы?

В настоящее время в биологии и медицине активно развивается учение о микроэлементозах. Заболевания, вызываемые токсическим действием веществ, находящихся в организме в очень малых количествах, известны с античных времен, и каждое из них называлось по имени того химического элемента, с которым было связано их происхождение. Например, отравление ртутью и свинцом именовали соответственно меркуриализмом и сатурнизмом, серебром – аргирией.

Загрязнение окружающей природной среды, во многом связанное с микроэлементами из группы тяжелых металлов, вызывает серьезную озабоченность своими негативными последствиями для здоровья различных групп населения. В настоящее время все большее значение приобретают так называемые техногенные микроэлементозы. Известно, что в непосредственной близости от многих промышленных предприятий образуются зоны с повышенным содержанием свинца, мышьяка, ртути, кадмия, никеля и других токсичных микроэлементов, представляющих угрозу для здоровья и даже жизни человека. В то же время в результате водного и воздушного переноса этих токсикантов могут загрязняться территории, находящиеся на значительном отдалении. Так, особую тревогу вызывает обширное, на уровне биосферы Земли, загрязнение нашей планеты свинцом индустриального происхождения. За последние несколько лет свинец стал в России наиболее распространенным токсикантом из группы тяжелых металлов, высокая концентрация которого в природных средах и накопление его в организме человека обусловлены, прежде всего, промышленными отходами и выбросами и неконтролируемым резким увеличением количества автомобилей, работающих на низкокачественном этилированном бензине и выбрасывающих с выхлопными газами значительные объемы свинца в виде твердых частиц.

Загрязнение окружающей среды токсичными металлами в первую очередь сказывается на детях, так как интенсивное накопление различных вредоносных элементов происходит еще в плаценте. Это приводит к появлению врожденных уродств, снижению иммунитета, развитию множества болезней, зачастую с хронизацией патологического процесса, задержке умственного и физического развития. Вырастает поколение ослабленных людей, восприимчивых к инфекции, с высоким риском развития ИБС и онкопатологии. Некоторые промышленные регионы с особо интенсивным загрязнением окружающей среды могут стать зонами сильных техногенных микроэлементозов.

Большой вклад в развитие учения о биологической роли МЭ для человека внесли в отечественную науку работы А.И. Венчикова, А.И. Войнара, Г.А. Бабенко, Л.Р. Ноздрюхиной. Были созданы школы микроэлементологов-врачей при Ивано-Франковском медицинском институте (проф. Г.А. Бабенко подготовил более 120 кандидатов и докторов медицинских наук), в Донецком и Карагандинском медицинских институтах. Успешно развивались представления о микроэлементозах в Саратовском, Казанском, Воронежском медицинских институтах, в ряде медицинских институтов Средней Азии и Прибалтики. Значительно обогатили науку о МЭ исследования академика А.П. Авцына и профессора А.А. Жаворонкова по экологической и географической патологии, обусловленной дефицитом или избытком МЭ для аномальных геохимических регионов страны. В настоящее время в России учение о микроэлементозах нашло своих активных последователей в лице моих учеников и коллег по АНО «Центр биотической медицины» (ЦБМ) – единственному научномедицинскому исследовательскому учреждению России, специализирующемуся на диагностике и лечении нарушений обмена макро– и микроэлементов у человека, обусловленных загрязнением окружающей среды и влиянием неблагоприятных экологических факторов.

Учитывая биологическую роль микроэлементов, их участие практически во всех биохимических процессах в организме человека, вопросы загрязнения окружающей среды волнуют сегодня не только экологов, но и врачей всех специальностей. В нашей стране по предложению академика РАМН А.П. Авцына и его коллег (Авцын и др., 1983) для обозначения всех патологических процессов, вызванных дефицитом, избытком или дисбалансом макро– и микроэлементов, введено понятие микроэлементозов (табл. 10).

Рабочая классификация микроэлементозов человека (по: Авцын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С., 1991)

Элементный баланс может нарушаться при недостаточном поступлении жизненно важных МЭ и/или избыточном поступлении в организм токсических МЭ. Причем с учетом сложных взаимовлияний между элементами, картина интоксикации или возникновения патологического состояния и заболеваний может быть очень сложной и трудной для интерпретации. В этом случае очень важна адекватная диагностика микроэлементозов, связанная в первую очередь с точным количественным определением элементов в индикаторных биосубстратах человека.

В последнее время профессор В.Л. Сусликов предложил новый термин – «атомовиты», то есть атомы жизни. Этот термин образован от корней классических языков всех научных терминологий: «atom» – атом химического элемента и «vita» – жизнь. Заостряя терминологический вопрос, необходимо принять во внимание задачи медицины и ветеринарии, так как новый термин, вероятно, найдет отражение в названии болезней человека и животных, обусловленных участием в их развитии отдельных атомов химических элементов.

1. По количественному содержанию в теле человека:

а) атомовиты стабильные, содержание которых в теле человека не менее 1×10-2%, в эту группу входят 12 атомовитов: кальций, калий, магний, железо, натрий, фосфор, хлор, азот, кислород, углерод, водород и сера;

б) атомовиты постоянные, содержание которых в теле человека составляет от 1×10-3 до 1×10-5%, в эту группу включено 17 атомовитов: йод, кобальт, цинк, медь, марганец, молибден, стронций, кремний, селен, фтор, бор, ванадий, алюминий, барий, хром, литий и бром;

в) атомовиты временные, содержание которых в теле человека составляет от 1×10-6 до 1×10-12% в эту группу включено пока 20 атомовитов: серебро, золото, кадмий, никель, бериллий, мышьяк, свинец, титан, олово, висмут, ртуть, сурьма, теллур, германий, вольфрам, радий, уран, цирконий, цезий и технеций.

2. По анатомофизиологическим свойствам:

а) атомовиты структурные, играющие в организме роль строительного, пластического материала: кальций, фосфор, углерод, водород, азот, натрий, калий, магний, хлор, кислород, кремний, стронций;

б) атомовиты, принимающие непосредственное участие в биохимических процессах обмена веществ. В этой подгруппе атомовитов следует выделить:

1) атомовиты, входящие в структуру ферментов, пигментов и витаминов: медь, цинк, марганец, стронций, кремний, кобальт, селен, которые следует называть биокаталитическими;

2) атомовиты, входящие в структуру гормонов: йод, хром, фтор, бром, называемые нами эндокринными;

3) атомовиты, участвующие в кроветворении и причастные к клеткам ретикулоэндотелиальной системы (РЭС): железо, медь, мышьяк – гематоатомовиты.

3. По витальному (от латинского «vita» – «жизнь») значению для организма человека:

а) незаменимые, или эссенциальные, атомовиты, которые постоянно требуются организму для нормальной жизнедеятельности, они должны регулярно поступать в организм с водой, пищей и воздухом: кислород, водород, углерод, азот, кальций, фосфор, калий, натрий, сера, хлор, магний, кремний, цинк, железо, медь, йод, марганец, ванадий, молибден, кобальт, селен;

б) условно эссенциальные, или взаимозаменяемые, атомовиты, которые также требуются организму для нормальной жизнедеятельности, однако при отсутствии их в пище, воде и воздухе могут заменяться в организме другими атомовитами;

в) недостаточно изученные атомовиты, которые содержатся в теле человека и, видимо, играют определенную роль, однако формы их содержания и место неизвестны.

Некоторые исследователи подразделяют атомовиты еще на две группы: 1) эссенциальные и 2) токсичные. Однако такое деление вызывает возражение вследствие незаменимости токсических элементов, открытой и опубликованной ранее, с одной стороны, и исходя из закономерности зонального действия атомов химических элементов – с другой.

Таким образом, в последние десятилетия в России созданы и развиваются два прогрессивных направления в учении о биологической роли микроэлементов – учение о микроэлементозах (А.П. Авцын, А.А. Жаворонков, 1983–1991 гг.) и атомовитозах (В.Л. Сусликов, 1999–2001). Созданные российскими учеными новые подходы в классификации микроэлементов являются приоритетными в мировой науке, основаны на глубоком понимании химической сути процессов возникновения и поддержании жизнедеятельности и служат методической основой медицинской элементологии.

Биогеохимические провинции – мир, в котором мы живем

В процессе эволюции организмы адаптировались к определенному химическому составу среды. Это обусловило, с одной стороны, разнообразие химического состава флоры и фауны, а с другой – определило повышенную чувствительность организмов к изменениям концентрации в среде тех или иных элементов (особенно микро– и ультрамикроэлементов).

Поскольку состав поверхности Земли неоднородный, на ней обнаруживаются области с повышенным или пониженным содержанием тех или иных химических элементов. Эти области, отличающиеся от соседних областей по содержанию в них химических элементов (соединений) и вследствие этого вызывающие различную биологическую реакцию со стороны местной флоры и фауны, получили название биогеохимических провинций.

Биологические реакции организмов на изменение геохимических факторов могут проявляться в следующих формах: а) толерантности (приспосабливаемости); б) образовании новых рас, видов, подвидов; в) эндемических заболеваний; г) уродств и гибели организмов. Последние формы проявляются в случаях резкой недостаточности или избыточности какого-либо элемента в среде (рис. 4).

Рис. 4. Влияние недостатка или избытка микроэлементов на биологические реакции в организме

По мнению известного советского геохимика В.В. Ковальского (1974), основным критерием биогеохимического районирования должна быть изменчивость биохимических пищевых цепей в различных геохимических условиях. Согласно выдвинутой им концепции накопление химических элементов организмами определяется не только их биологической природой и геохимией среды, но и пищевыми цепями, через которые осуществляется связь организмов и среды (почвообразующие породы, почвы, микроорганизмы, вода, воздух, растения, животные, человек). В пищевой цепи может происходить уменьшение концентрации одних химических элементов и накопление других (рис. 5).

Рис. 5. Биологические реакции организмов на изменение содержания химических элементов в среде (В.И. Георгиевский, Б.Н. Анненков, В.Т. Самохин, 1979)

Изучение влияния недостатка или избытка элементов на изменчивость биогеохимических пищевых цепей, промежуточный обмен веществ, адаптацию организмов к условиям среды и возникновение эндемий составляет предмет и задачи нового раздела науки – биогеохимической экологии.

Доказано, что от химического элементного состава среды обитания организмов зависит их морфологическая и физиологическая изменчивость, размножение, рост и развитие. Поэтому нарушения баланса химических элементов в среде, как это происходит в биогеохимических провинциях, вызывает патологические изменения в организме животных и человека. Становится очевидно, что наряду с биогеохимическими эндемиями природного происхождения следует изучать эндемические болезни, являющиеся peaкцией на «неправильный» состав природной среды, измененной техногенной деятельностью человека.

Химические элементы распространены в окружающей среде очень неравномерно. Обращает на себя внимание огромное содержание таких микроэлементов (по отношению к человеческому организму), как кремний, алюминий, железо, цирконий, молибден, цинк, а также макроэлементов калия, кальция и других в земной коре (верхней литосфере) и их небольшие концентрации в пресной, морской воде, атмосфере. Однако в биосфере происходит накопление многих из этих элементов, их концентрирование, что свидетельствует о высокой потребности этих элементов для осуществления процессов жизнедеятельности.

В биосфере концентрируются такие химические элементы, как кислород, калий, сера, углерод, фосфор, хлор, азот, олово, мышьяк, относительно высокое содержание кальция, бора, цинка, бария, стронция, рубидия, меди, свинца.

В связи с различными средами обитания существенно различаются концентрации химических элементов в морских и наземных растениях и животных.

Так, в «дарах моря» растительного и животного происхождения сконцентрированы такие элементы, как кальций, калий, натрий, магний, сера, хлор, цинк, медь, молибден, железо, йод, никель, титан, стронций, цирконий, хром, литий, бор, лантан.

«Дары природы», предоставляемые человеку на суше, в целом менее богаты макро– и микроэлементами, хотя здесь следует выделить азот, углерод, фтор, а также марганец, алюминий, содержание последних в наземных растениях выше, чем в морских в 10 раз.

Наземные растения являются основным источником такого важного микроэлемента, как марганец, а морские – кальция, железа, циркония, кремния, лития, йода. Представители наземной фауны служат основным резервом для обеспечения человека фосфором, азотом, водородом, то есть макроэлементами, и чрезвычайно бедны хромом, ванадием, марганцем (элементами, принимающими активное участие в регуляции углеводного и жирового обмена, толерантности к глюкозе), в меньшей степени – другими микроэлементами.

В свою очередь, представители морской фауны накапливают в себе повышенные количества цинка, кобальта, меди.

Таким образом, поступление химических элементов с пищей может существенно различаться в зависимости от режима питания, доступности, например морепродуктов для широких слоев населения. Все это не может не сказываться на суточном балансе элементов человека.

В целом, как справедливо отмечали В.А. Книжников и др. (1982), «для населения развитых стран характерно включение в рацион разнообразных продуктов питания, часть из которых производится в других биогеохимических районах, ввиду чего ликвидируются условия, способствующие воздействию на человека биогеохимических особенностей данной местности».

Таким образом, использование в рационе разнообразной пищи со значительной долей привозных продуктов может явиться средством не только предупреждения возникновения эндемических дефицитов или избытков макро– и микроэлементов, но и становится при правильном применении одним из мощных средств профилактики заболеваний биогеохимического происхождения.

ДИСБАЛАНС МИКРОЭЛЕМЕНТОВ У ЖИТЕЛЕЙ РОССИИ И СТРАН СНГ

Наиболее распространенными гипомикроэлементозами являются цинк, медь и железодефицитные состояния. Низкий уровень цинка в волосах, признанный в качестве индикатора дефицита цинка, встречается в России в среднем у 20–40 % детей, тогда как низкий уровень железа и меди отмечается у 6-22 %.

По данным специалистов возглавляемой мною самостоятельной некоммерческой организации «Центр биотической медицины» (ЦБМ), наиболее распространенный гиперэлементоз в индустриальных районах России – избыток свинца. У детей дошкольного возраста, проживающих в городах Южного Урала (Златоуст, Карабаш, Челябинск) и Королеве (Московская обл.), превышение его биологически допустимого уровня (БДУ) в волосах составляет в среднем 20–30 % и более.

Наблюдается избыток марганца, мышьяка, ртути, кадмия (превышение БДУ в 1-10 % случаев), а также увеличение фоновых значений таких элементов, как железо, цинк, алюминий, медь, хром (в 10–30 % случаев).

Свинцовое загрязнение в городах происходит по вине промышленных предприятий и автомобильного транспорта, использующего этилированный бензин. По данным Ю.Е. Сает и др. (1990), в городах с развитым машиностроением содержание свинца в волосах детей в 13 % случаев превышало БДУ, тогда как в «чистом» районе превышение наблюдалось только у 6,6 % детей. При этом отмечено, что содержание свинца в волосах детей рабочих в среднем в 1,8 раза больше, чем у детей административного персонала. В зоне максимального воздействия выбросов медеплавильного комбината избыток свинца обнаружен у 64 % детей.

Элементозы – довольно распространенное явление и среди взрослых. Так, например, при обследовании 320 работников агрегатного завода АО «КамАЗ» (Набережные Челны, Татарстан), где в целом неплохо обеспечивается охрана труда, выявлена типичная для России распространенность элементозов.

Возникают сложные микроэлементозы и при радиационном поражении. При дефиците стабильных изотопов кальция, калия, йода и других элементов в организме могут усиленно накапливаться радиоактивные изотопы – «двойники», или антагонисты жизненно важных химических элементов. Так, при недостаточном поступлении кальция организм поглощает из окружающей среды повышенное количество стронция и других химических элементов, похожих по структуре на кальций (к примеру, свинец).

Очевидна и обратная зависимость. Получая достаточное для обеспечения нормальной жизнедеятельности количество калия, человек менее «расположен» к усвоению радиоактивного изотопа цезия Cs-137, «двойника» антагониста калия. То есть если клетки обеспечены элементами, необходимыми для их жизнедеятельности, то вероятность поглощения ими подобных по химической структуре, но опасных для организма элементов снижается. Правильно питаясь и принимая недостающие макро– и микроэлементы, можно уменьшить риск поглощения организмом радиоактивных элементов и избежать их разрушительного воздействия.

Радиоактивные изотопы, избыточные облучения приводят к нарушению минерального баланса, к потере организмом необходимых элементов. Каждый человек, подвергшийся воздействию радиации, страдает от дефицита важнейших микроэлементов, в первую очередь кальция, магния, цинка, селена, йода.

После аварии на Чернобыльской АЭС для лечения попавших в зону бедствия широко использовались различные препараты йода и продукты, богатые стабильным изотопом йода. Проведя в 1992–1993 гг. обследование детей из Гомельской области, мы совместно с Государственным научным центром перинатологии, акушерства и гинекологии МЗ РФ рекомендовали для их лечения препараты, содержащие калий, а также рацион, богатый этим элементом. Такие меры помогают предотвратить отрицательное действие радиоактивного цезия – антагониста калия.

Красноречивы результаты проведенного нами сравнительного анализа элементного состава организма у живущих в Москве инвалидов-чернобыльцев и контрольной группы москвичей, не подвергавшихся воздействию повышенных доз радиации. Налицо существенные отличия в обеспеченности многими жизненно важными элементами и уровне токсических химических элементов в организме людей из этих групп. Отмечено, что в волосах чернобыльцев ниже концентрация цинка – элемента, ответственного за множество биохимических функций, в том числе за состояние костной и иммунной систем. Для всех пострадавших характерно более высокое, по сравнению с контрольной группой, содержание свинца, кадмия, лития, мышьяка, никеля – элементов, оказывающих токсическое влияние на организм.

Особым свидетельством нарушения баланса химических элементов в организме ликвидаторов-инвалидов следует считать нарушение соотношения элементов – функциональных антагонистов, вытесняющих друг друга из организма или замещающих в важнейших функциях (например, кальций и свинец, цинк и кадмий, цинк и свинец). Повышенный уровень в волосах калия и натрия обычно рассматривается специалистами как отражение нарушения водносолевого обмена, функции симпато-адреналиновой системы. Не исключено также влияние на обмен калия радиоактивного цезия, его антагониста, а на обмен кальция и цинка – радиоактивных изотопов стронция, цинка и др.

В любом случае у тех, кто подвергался сильному радиационному облучению, состояние элементного баланса нарушено, и для его восстановления, а следовательно, для повышения сопротивляемости организма и воспрепятствия более глубокому развитию обменных расстройств требуется комплекс соответствующих лечебно-профилактических мероприятий.

У многих инвалидов-чернобыльцев, постоянно проживающих в Москве, наблюдается дефицит магния (44 %), цинка (34 %>), фосфора (19 %) и относительно реже, чем в аналогичных возрастных группах жителей других городов России, – меди и калия.

Достаточно часто мы отмечаем у инвалидов-чернобыльцев избыточное содержание (гипермикроэлементоз) кадмия (22 % обследованных) и мышьяка (11 %>). Чаще, чем у остальных взрослых москвичей, встречается избыток свинца (5 %> и 1 %> соответственно), никеля (4 %) и 2 %>), марганца (7 %> и 3 %>).

Чрезмерное накопление токсичных и радиоактивных элементов происходит при дефиците жизненно важных минералов и микроэлементов. Вероятнее всего, этот механизм срабатывает и у ликвидаторов, испытывающих дефицит жизненно важных элементов острее, чем остальное население.

Различия в распространенности микроэлементозов в двух группах москвичей (инвалиды-чернобыльцы и группа контроля) многократны: кадмий – 11 раз, свинец – 5, калий и мышьяк – 4, фосфор, цинк – 3, медь, алюминий, марганец, селен – 2. Все это свидетельствует о наличии более выраженных отклонений в минеральном обмене у пострадавших от радиации.

Однако и в регионах, удаленных от очагов радиации, у людей, работающих на современных предприятиях, нередко наблюдается избыток элементов (от 2 до 19 %, в среднем – у 9 %) и гораздо чаще – их дефицит (колеблется от 0,7 до 27,6 %), составляющий в среднем 17 %)!

Таким образом, дисбаланс микроэлементов – проблема национального масштаба в современной России. Чаще всего отмечается дефицит макро– и микроэлементов – около 2/3 взрослых и 3/4 детей могут быть отнесены к группе риска по гипоэлементозам (дефициту одного или нескольких важнейших макро– и микроэлементов). И, как установлено нами за двенадцать лет исследований в различных регионах России и СНГ, около 3/4 населения в той или иной степени подвержено гиперэлементозам (избыточному накоплению одного или нескольких элементов в организме), а в индустриальных районах и особенно в зонах экологических бедствий этот показатель может достигать 90 %.

Микроэлементозы – это распространенная патология, при которой страдают базовые функции организма – иммунная и обмен веществ. Поэтому при диагностике микроэлементозов и оценке этиологических факторов ведущую роль играют совокупные концентрации и баланс всех микроэлементов. Многолетний опыт нашего Центра показал, что наиболее эффективна профилактическая терапия, основанная на результатах подобной диагностики. Это особенно важно в случае экологозависимых патологий, при которых причина заболевания – избыточное или недостаточное поступление в организм человека жизненно важных микроэлементов.

Источник