Роль процесса комплексообразования в накоплении элементов растительными организмами Роль процесса комплексообразования в накоплении элементов растительными организмами

В растениях аккумулируются многие металлы: Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo и др. Табл. 8 иллюстрирует избирательность поглощения металлов различными растительными организмами.

Таблица 8

Избирательное поглощение металлов растениями

Растение

Повышенное содержание

металов

Синезеленые водоросли (Cyanophyta)

Fe, Co, Ni, Zn

Красные водоросли (Rhodophyta)

Mg, Fe, Co, Ni

Зеленые водоросли (Chlorophyta)

Ti, V, Cr, Cu

Бурые водоросли (Phaeophyta)

Ti, V, Ni, Zn

Моховидные (Bryophyta)

Al

Папоротниковидные (Pteridophyta)

Al

Голосеменные (Gymnospermae)

Mn

Покрытосеменные (Anthophyta)

Mn, Mo

Процесс комплексообразования селективен. Образуются устойчивые комплексные соединения с клеточным веществом. В качестве центрального комплексообразователя участвуют такие металлы, как Mg, Al, но главным образом, d-элементы – Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Mo. В результате в растениях накапливаются в определенных количествах те или иные металлы. В табл. 9 приведены данные по среднему содержанию металлов-комплексообразователей в растениях, там же приводятся величины среднегодового концентрирования.

Таблица 9

Среднее содержание металлов в растениях (С)

и ежегодное концентрирование (m)

Meталл

С, %

m, т

1

2

3

Mg

3·10-1

1,1·109

Al

5·10-2

1,8·108

Ti

9·10-4

3,3·106

V

2·10-4

7,2·105


Продолжение таблицы 9


1

2

3

Cr

5·10-5

1,8·105

Mn

6·10-3

2,2·107

Fe

3·10-2

1,1·108

Co

6·10-5

2,2·105

Ni

3·10-4

1,1·106

Cu

1·10-3

3,6·106

Zn

9·10-3

3,3·107

Mo

7·10-5

2,5·105

В подтверждение роли процесса комплексообразования на рис. 3 приведена зависимость содержания металлов в липидах бурых водорослей в функции параметра Рака B для двухвалентных ионов ряда d-элементов. При вычислении поправок к межэлектронным взаимодействиям, представляющим интерес для процесса комплексообразования, были введены параметры Рака. Для их расчета требуется знание радиальных волновых функций одноэлектронных состояний в атоме.

Между содержанием металлов в бурых водорослях и параметром Рака B существует линейная зависимость. Высокое значение коэффициента корреляции (R = 0,87) указывает на достаточно тесную функциональную зависимость.

Роль процесса комплексообразования в накоплении элементов растительными организмами

Рис. 3. Зависимость содержания металлов в липидах бурых водорослей от параметра Рака B. Коэффициент корреляции R = 0,87

В липидах содержится около 10 % металлов от веса клеток. Таким образом, обогащение растительных организмов металлов увеличивается в 3-6 раз. В некоторых случаях, например в кобальтосодержащем витамине В12, содержание металла в тысячи раз превышает его содержание в клетках.

В живых клетках в качестве лигандов выступают молекулы белков, порфинов, фосфатов сахаров, антоцианов, фенолов и хинонов.

В табл. 10 приводятся данные по концентрированию металлов в липидах растений.

Таблица 10

Накопление металлов в липидах растений

Металл

Содержание металлов в липидах от их общего

содержания в клетках, %

Водоросли

Цветковые растения

красные

зеленые

бурые

Титан

44,4

42,8

84,4

72,5

Ванадий

40,7

63,9

65,7

63,5

Хром

33,0

59,4

69,3

60,9

Марганец

39,0

13,2

67,6

69,0

Железо

44,0

37,3

44,8

50,9

Никель

45,9

53,3

75,7

65,5

Медь

7,5

72,2

42,2

39,1

В природе металлические элементы концентрируются в живых организмах, а после их гибели образуют осадочные породы. Таким образом, процесс комплексообразования является важным механизмом круговорота вещества в природе. Индивидуальные соединения клетки образуют комплексные соединения, содержание металлов в которых значительно превышает его содержание в клетках (табл. 11).

Таблица 11

Концентрирование металлов в комплексных соединениях

Металл

Комплексное соединение

Содержание металла, %

Увеличение против содержания в клетках в n раз

1

2

3

4

Магний

Хлорофилл

2,7

9


Продолжение таблицы 11


1

2

3

4

Титан

Фосфорсодержащий белок из листьев

0,017

20

Марганец

Перекись моногалактолипда

0,42

42

Железо

Гидрогеназа

1,12

56

Железо

Редуктаза углекислоты

0,33

16,5

Железо

Каталаза

0,09

4,5

Медь

Белок пластоцианин

1,1

1100

Медь

Дифролоксидаза

0,20

200

Цинк

Цитохромоксидаза

0,18

36

Молибден

Нитрогеназа

0,087

1450

Молибден

Нитратредуктаза

0,015

250

Как видно из приведенных в табл. 11 данных, процесс комплексообразования характеризуется высокой селективностью. Действительно различные виды живых организмов и растений накапливают определенные химические элементы. На этой основе в геологии даже существует поиск полезных ископаемых.

Комплексные соединения растений участвуют в каталитических и миграционных процессах и эволюции биосферы. При взаимодействии одного и того же металла с различными лигандами значения окислительно-восстановительных потенциалов систем Ео при pH = 7 заметно изменяются (табл. 12).

Таблица 12

Окислительно-восстановительные потенциалы системы для различных

комплексных соединений металла

Система

Ео, В

Комплексные соединения металлов

1

2

3

Н2/Н2О

–0,42

Гидрогеназа (Fe)

(CH2O/CO2

–0,42

Редуктаза СО2 (Fe)

NH4+/N2

–0,28

Нитрогеназа (Fe, Mo); соединения Ti, V, Co

HS–/S

–0,27

Гидрогеназа (Fe)

Спитр/альдегид

–0,20

Алкогольдегидрогеназа (Zn)

Точка Пастера

+0,05

Переход от окисления в брожении к дыханию

Н2О2/О2

+0,29

Каталаза (Fe)


Продолжение таблицы 12


1

2

3

NO/NO2–

+0,37

Нитритредуктаза (Mo)

NO2–/NO3–

+0,42

Нитратредуктаза (Mo)

Дифенил/хинон

+0,43

Дифенилоксидаза (Cu)

Н2О/О2

+0,82

Хлорофилл (Mg); моногалактолипид (Mn)

Комплексные соединения играют основную роль в миграции элементов в природе. Это особенно ярко проявляется при фотосинтезе. Ежегодно растениями при фотосинтезе восстанавливается 1,4·1011 т углерода, 5·109 т соединений азота, 8,3·108 т соединений серы. Для углерода это количество в тысячи раз, для азота в сотни раз, для серы в несколько раз больше, чем при бактериальном восстановлении.

Роль комплексных соединений в миграции элементов в природе демонстрирует табл. 13. Для миграции углерода, водорода, азота, серы и кислорода важную роль играют комплексные соединения, участвующие в процессах фотосинтеза брожения и дыхания.

Таблица 13

Участие комплексных соединений металлов в миграции элементов

Комплексные соединения металлов

Участие в процессах

Ежегодная миграция

Элемент

Количест-

во, т

При фотосинтезе

Fe

Восстановление углекислоты

C

1,4·1011

Fe

Восстановление водорода, воды

H

4,6·1010

Fe, Mo, Cu, Ti, V, Co

Восстановление соединений азота

N

5,0·109

Fe

Восстановление соединений серы

S

8,3·108

Mg, Mn

Окисление кислорода воды

O

3,7·1011

При дыхании и брожении

Fe, Zn, Cu, Mg, Al, Cr, Ni

Окисление органических веществ

C

1,36·1011

Таким образом, биохимическое значение комплексных соединений, участвующих в восстановительных функциях биосферы, велико. Благодаря этим процессам поддерживается стабильный состав околоземной атмосферы.


Важная роль отводится комплексным соединениям металлов в эволюции биосферы. Каталитическую роль в эволюционных процессах вначале играли ионы, затем комплексные соединения с низкомолекулярными белками, комплексные соединения с высокомолекулярными протеидами и металлолипопротеидами.

Увеличение прочности связи комплексных соединений металлов с разнообразными группами липидов привело к образованию в клетках биметаллических и полиметаллических биокаталитических систем. Благодаря им происходит восстановление диоксида углерода и поступление в атмосферу огромных количеств кислорода.

Восстановление диоксида углерода на разных стадиях эволюции и участие в этом процессе комплексных соединений металлов иллюстрирует табл. 14.

Таблица 14

Участие комплексных соединений металлов в эволюции биосферы

Время появления в биосфере

Восстановление СО2 при окислении веществ, % от веса клеток за 1 час

Ео, В

Участие комплексных соединений металлов

Архей

Гетеротрофное усвоение при окислении органических веществ, n·10–3

До +0,05

Белки, образующие нестойкие комплексы с Mg, Zn и др. металлами

Архей, протерозой

Хемосинтезы при окислении неорганических веществ среды, n·10–2

До +0,30

Флавопротеиды (Fe), гемопротеиды (Fe), другие протеиды (Ti, V, Co,Cu, Mo)

Протерозой, палеозой

Фоторедукция при окислении на свету с образованием перекисей, n·10–1

До +0,55

Порфирины (Mg), липофлавопротеиды (Fe, Mn)

Протерозой, палеозой, мезозой

Фотосинтез при окислении на свету воды с выделением кислорода, n·100

До +0,82

Порфирины (Mg), липофлавопротеиды Fe, Mn)

Кайнозой

Фотосинтез культурных растений, до n·101

До +0,82

Внесение удобрений из соединений металлов


  • Читать все новости