Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Урожайность растений зависит также от содержания в почве калия. При недостатке калия в почве он становится элементом, контролирующим рост растений.
Ионы K+ активизируют деятельность некоторых ферментов и вместе с ионами Na+ обеспечивают баланс электрических зарядов и осмотическое давление внутри клеток тканей живых организмов, предохраняют их от сжатия под действием внешних сил.
Несмотря на близость химических свойств ионов K+ и Na4", роль их в живых организмах очень разная. Ионы Na+ легко выходят через мембраны из клеток наружу, а ноны K+, наоборот, лучше удерживаются внутри клеток. Концентрация ионов K+ в клетках тканей животных около 0,15 моль/дм3, а концентрация ионов Na+- около 0,01 моль/дм3. А в лимфе и крови соотношение их концентраций обратное: ионы K+ - 0,003 моль/дм3, ионы Na+ - 0,15 моль/дм3. Различие отношений ионов K+ и Na+ внутри и вне клетки порождает электрический потенциал на ее мембране, который управляет функциями клетки.
Транспорт глюкозы внутри клеток происходит совместно с ионами Na+. Так же осуществляется транспорт аминокислот. Выполнив транспортную функцию, ионы Na+ возвращаются в жидкость вне клеток. Ионы K+ обеспечивают метаболизм (обмен веществ) глюкозы внутри клеток, синтез белков и активирование некоторых ферментов. Указанные процессы снабжаются энергией за счет превращения аденозиитрифосфорной кислоты (АТФ) в аденозиндифосфориую кислоту (АДФ). Энергия заключена в двух иирофосфорных (ангидридных) связях. При их гидролизе выделяется энергия, составляющая соответственно 29,4 и 36,1 кДж/моль. Энергия расходуется на биосинтез, мышечное сокращение, нервный импульс.
Калий - один из наиболее распространенных элементов земной коры (2,5 % по массе), но его основная часть не доступна для растений. Многие минералы, включая алюмосиликаты, прочно удерживают ионы K+ в своей кристаллической решетке. Иначе говоря, калий находится в них в иеобменном состоянии.
В глинистых минералах ионы K+ сохраняют относительную подвижность и участвуют в процессе питания растений. Основным калийным удобрением остается KCl. Но предпочтение следовало бы отдавать K2SO4. За счет образования CaSO4 (обмен с CaCO3) значительная часть ионов S042~ выводится из почвенного раствора, что предохраняет почву от засоления.
Микроэлементы (следовые количества элементов) выполняют весьма разные функции в биологических процессах. Некоторые из них являются обязательными элементами питания, а другие - безусловно относятся к токсичным веществам.
В зависимости от роли микроэлементов в биологических процессах принято подразделять их на две группы: а) типичные для цикла питания, или биогенные (Mg, Fe, Cu, Mn, Zn, Cr, Со, Ni, Mo, В); б) потенциально опасные (Be, Hg, Pb, Cd, Tl, Cr, В, As). Среди них особое место занимают ионы И1, влияние которых на биохимические процессы проявляются через pH растворов. Еще раз следует подчеркнуть условный характер такого деления. Физиологическая, экологическая и токсикологическая роль элементов существенно зависит от их состояния в водной среде и концентрации определенных форм. Например, Cr (III) относят к полезным (при низких концентрация), а Cr (VI) - к токсичным веществам.
Особо следует обратить внимание на то, что вызванный присутствием элементов биологический эффект зависит от их концентраций. Полученные при этом зависимости имеют разный характер для приведенных выше групп элементов. Так, Cu и Pb относятся к разным группам, что предопределяет разный характер проявляемого ими
Химия окружающей среды
309
эффекта. При очень низких концентрациях медь (II) становится элементом, контролирующим процесс биосинтеза. При увеличении концентрации ионов меди (II) продуктивность биосинтеза возрастает, проходит через максимум, а затем снижается. Таким образом, концентрация ионов меди (И) преодолевает предел, выше которого начинает проявляться токсичность меди, подавляющая процесс биосинтеза (рис.6.2).
Свинец, в отличие от меди, проявляет токсичность во всем интервале возможных его концентраций, и при увеличении его концентраций токсичность только возрастает.
Обсуждая эти зависимости, трудно указывать конкретные концентрации элементов, т.к. величина эффекта зависит от вида и состояния элементов в жидкой среде (простые или комплексные ионы, какие типы лигандов координированы ионами) и конкретного вида растений. Но вид элемента представляется наиболее существенным фактором, и вполне обосновано допускается разное содержание Cu и Pb в водных объектах, а именно 1,0 и 0,03 мг/дм3 соответственно. Однако токсичное действие меди на микроорганизмы замечено при ее содержании 0,1 мг/дмъ.
Другие элементы, в зависимости от их принадлежности к одной из обсуждаемых групп, могут, подобно меди или свинцу, изменять биологический эффект с повышением их концентраций в окружающей среде.
log С
Рис. 6.2. Зависимость биологического эффекта Cu и Pb от их концентраций
Для объяснения различного влияния микроэлементов на биологические процессы исходят как из общих положений, так и из особенных свойств каждого элемента. Одно из общих положений основывается на представлении о взаимодействии кислот и оснований Льюиса. Ионы металлов являются кислотами Льюиса (акцепторы пар электронов), а соединения внутри клеток - основаниями Льюиса (доноры пар электронов) (см. раздел 1.4). Внутриклеточные основания содержат функциональные группы с донорными атомами S, N и О. Внешний раствор также содержит основания Льюиса - H2O, ОН", HCO3", HPO42".
