Radzowice, 08.03.2009
mgr inŜ. Wanda Huk
Technolog Fermentacji i Mikrobiologii śywności
Spec. Mikrobiologii Technicznej i śywności
„Gleba w XXI wieku….źródło Ŝycia i śmierci”
Trwałe istnienie kaŜdego ekosystemu jest uwarunkowane prawidłowym obiegiem
pierwiastków w środowisku. Zapewnia to równowaga głównych procesów przemiany materii,
czyli homeostaza.
W naturalnych ekosystemach mechanizmy regulacyjne działają precyzyjnie i pomimo
istotnych nieraz zmian w ilości i jakości poszczególnych składników, całość nie podlega
zasadniczym przemianom. Przykładem prawidłowo działającej homeostazy moŜe być zbiornik
wodny, do którego wpływają wody zanieczyszczone ściekami komunalnymi – jeśli dopływ
zanieczyszczeń jest niewielki, to zdolność do samooczyszczania jest wystarczającym
powodem zachowania Ŝycia biologicznego. Przy nadmiernym ładunku dopływających
zanieczyszczeń zostaje przekroczony bezpieczny poziom. W zbiorniku wodnym stopniowo
zamiera Ŝycie biologiczne, co w konsekwencji prowadzi do zniszczenia danego ekosystemu.
Obecnie wszelkie zakłócenia równowagi w środowisku znajdują swoje źródło
w działalności antropogenicznej. W ekosystemach sztucznych, kierowanych przez człowieka
biosfera jest nie tylko zmieniana, ale i przekształcana na wielką skalę. Człowiek, zarówno
jako konsument, jak i czynnik przeobraŜający przyrodę, jest nieporównywalny z Ŝadną inną
istotą Ŝywą. Pozycja człowieka w biosferze jest istotna do tego stopnia, Ŝe z naukowego
punktu widzenia wyróŜnia się pojęcie antroposfery. Od początku historii ludzkości istnieje
problem racjonalnego wykorzystania przestrzeni i zasobów, jakimi dysponuje przyroda.
Niewątpliwie w ostatnim okresie, wraz z rozwojem techniki i wzrostem liczby ludności
problem ten wyraźnie nabrał istotnego znaczenia. Nikogo nie dziwi fakt, Ŝe człowiek pragnie
zabezpieczyć sobie odpowiedni standard bytu materialnego, niemniej jednak równocześnie
stwarza coraz bardziej niekorzystne, a nawet szkodliwe warunki dla swojej egzystencji.
PoniewaŜ źle ukierunkowany rozwój cywilizacji stwarza zagroŜenie dla Ŝycia na Ziemi
(skaŜenie produktów spoŜywczych, powietrza, wody i gleby), istnieje pilna potrzeba
racjonalizacji gospodarki zasobami przyrody, by ograniczyć degradację środowiska.
Spośród wszystkich pierwiastków chemicznych, których nadmiar moŜe powodować
powstawanie warunków stresowych dla Ŝywych organizmów, na szczególną uwagę zasługują
pierwiastki śladowe. Z ich definicji wynika, Ŝe są to pierwiastki, które w środowisku
biologicznym występują w małych ilościach oraz takie, które występują rzadko w skorupie
ziemskiej. Zmiana ich chemicznej równowagi powoduje zaburzenia we wzroście i rozwoju
zarówno roślin, jak i zwierząt…pośrednio lub bezpośrednio wpływa równieŜ na zdrowie
człowieka. Niektóre z nich są szczególnie aktywne i szkodliwe, a ich obecność w środowisku
moŜe wywierać ogromny wpływ na wiele procesów biochemicznych. W wyniku wzajemnych
interakcji pomiędzy poszczególnymi pierwiastkami moŜe dochodzić do zaleŜności
synergistycznych lub antagonistycznych, co w konsekwencji prowadzi do efektu zwiększenia
lub zmniejszenia oddziaływania tych pierwiastków na organizmy Ŝywe. Kierunek interakcji
moŜe ulegać zmianie w zaleŜności od wzajemnych proporcji owych składników i jest na tyle
istotny, Ŝe moŜe prowadzić do zaburzeń równowagi chemicznej w tkankach organizmów
roślinnych i zwierzęcych. Rośliny reagują najszybciej na zmiany w środowisku, poniewaŜ ich
mechanizm utrzymujący homeostazę jest słabo rozwinięty. Nadmierny pobór przez rośliny
składników chemicznych stwarza prawdopodobieństwo duŜego nagromadzenia pierwiastków
śladowych w łańcuchu pokarmowym, którego ostatnim ogniwem jest - człowiek. PoniewaŜ
stresy chemiczne, powodują osłabienie procesu fotosyntezy szacuje się, Ŝe przy podwojeniu
stęŜenia zanieczyszczenia ogólnego moŜe dojść do spadku produktywności roślin uprawnych
o około 50% (przyp. autora: dane sprzed 30 lat).
Szczególną pozycję wśród elementów biosfery zajmują gleby, poniewaŜ są głównym
ośrodkiem akumulacji wszelkich związków. Źródłem zanieczyszczenia gleb substancjami
szkodliwymi są: opady atmosferyczne, spływy ścieków, wodne migracje pierwiastków ze
zwałowisk odpadów stałych, zapylania z rozwiewanych hałd lub z osadników odpadów
przemysłowych. Największe jednak znaczenie w wielkoobszarowym skaŜaniu gleb,
szczególnie w warstwie powierzchniowej, odgrywają nawozy mineralne i chemiczne środki
ochrony roślin. Ich długoletnie stosowanie przyczynia się do kumulacji takich pierwiastków,
jak: Cd, As, Cu, Hg, Pb.
W glebach cięŜkich, o wysokiej pojemności sorpcyjnej, występuje zjawisko silnego
wiązania i zatrzymywania pierwiastków śladowych, natomiast w glebach piaszczystych
o małej pojemności sorpcyjnej i zwykle kwaśnym odczynie pierwiastki śladowe są słabo
sorbowane i stają się łatwiej przyswajalne. W takim przypadku nawet niewielkie stęŜenia
pierwiastków mogą działać toksycznie na rośliny. Woda jest tym czynnikiem, który łatwo
wyługowuje z gleb piaszczystych zanieczyszczenia, przez co zwiększa się ich koncentracja w
wodach gruntowych i powierzchniowych.
Do substancji stwarzających największe ryzyko dla zdrowia i Ŝycia organizmów
zwierzęcych, a takŜe dla człowieka naleŜą metale cięŜkie i ksenobiotyki. Pod pojęciem
ksenobiotyków rozumie się substancje chemiczne, które pojawiły się w środowisku
przyrodniczym w wyniku działalności człowieka, przy czym związki te w warunkach
naturalnych nie występują w ogóle, albo ich zawartość jest znikoma. W grupie
ksenobiotyków na pierwszym miejscu wymienia się środki ochrony roślin. ZagroŜenie
spowodowane tymi preparatami wiąŜe się z ich nieracjonalnym stosowaniem, ale równieŜ
długotrwałym naraŜeniem człowieka na czynniki szkodliwe, które posiadają zdolność do
kumulacji w organizmie. Jak wiadomo chemiczne środki ochrony roślin stosowane są na
szeroka skalę do wielu lat w warzywnictwie, ogrodnictwie i rolnictwie. Równie niebezpieczną
grupę ksenobiotyków stanowią detergenty (w środkach czyszczących i piorących) oraz
hormonomimetyki (modulatory hormonalne), przy czym te ostatnie nawet w bardzo małych
stęŜeniach, rzędu ng/dm
3
wody, mogą powodować zaburzenia w funkcjonowaniu organizmu.
Nagromadzenie ksenobiotyków w środowisku skutkuje powaŜnymi ubytkami na zdrowiu,
objawiającymi się zwyrodnieniami tkanek, zaburzeniami rozrodczymi, alergiami i zmianami
nowotworowymi. Niekontrolowane w przeszłości i niedostatecznie kontrolowane obecnie
wprowadzanie do obiegu tego typu substancji toksycznych będzie odczuwalne przez wiele
lat, poniewaŜ ich rozkład do związków prostszych jest bardzo trudny.
Wszystkie pierwiastki metaliczne powyŜej liczby atomowej 20 noszą wspólną nazwę:
metale cięŜkie, niemniej do grupy tej zaliczane są równieŜ pierwiastki, które charakteryzują
się duŜą toksycznością, a z chemicznego punktu widzenia nie spełniają wszystkich kryteriów
przynaleŜności (As, Se, Cr). Cechą charakteryzującą metale cięŜkie jest ich wysoka
toksyczność dla wszystkich Ŝywych organizmów. Głównym, nienaturalnym źródłem tych
pierwiastków są procesy spalania materiałów energetycznych oraz stosowanie nawozów
sztucznych. Konsekwencją toksycznego wpływu metali cięŜkich na organizm są zaburzenia w
funkcjonowaniu błon cytoplazmatycznych i procesów transportu, co z kolei moŜe
doprowadzić do zahamowania czynności fizjologicznych, a nawet śmierci. Ponadto niektóre
metale cięŜkie (kadm, nikiel, chrom, beryl) posiadają właściwości mutagenne
i kancerogenne. StęŜenie i biodostępność metali cięŜkich oraz róŜne czynniki środowiskowe
(głównie pH, obecność związków chelatujących) mają zasadniczy wpływ na ich toksyczność
względem organizmów. Rozpuszczalne związki metali są łatwiej pobierane, przez co są
bardziej toksyczne, niŜ trudno rozpuszczalne sole metali lub rudy metali. Kwaśny odczyn
środowiska zwiększa rozpuszczalność związków metali i podnosi ich działanie toksyczne,
natomiast obecność próchnicy oraz iłów w glebie ogranicza pobieranie toksycznych metali,
zarówno przez mikroflorę, jak i rośliny. WiąŜe się to z silnym wiązaniem przez te materiały
metali na swojej powierzchni.
Do najgroźniejszych (pod względem toksyczności) metali cięŜkich zalicza się obecnie
min. kadm, rtęć i ołów.
Kadm jest pierwiastkiem stosowanym w róŜnych gałęziach przemysłu. SkaŜenia
kadmem związane są głównie z działalnością hut, niemniej szczególną pozycję w
zanieczyszczaniu gleb kadmem stanowią nawozy sztuczne, zwłaszcza fosforanowe, oraz ich
produkcja. Ilości kadmu wprowadzanego tą drogą są znacznie mniejsze od skaŜeń
przemysłowych, jednak długotrwałe i powszechne stosowanie nawozów sztucznych moŜe
spowodować niepoŜądane nagromadzenie się tego pierwiastka w powierzchniowych
poziomach gleb. Dodatkowym źródłem kadmu w glebie jest jej wapnowanie przy pomocy
produktów ubocznych przemysłu, głównie wapnem odpadowym z hut. Wzajemne
oddziaływania między kadmem, cynkiem i miedzią odgrywają bardzo waŜna rolę
w metabolizmie organizmów zwierzęcych. Interakcje Cd-Zn i Cd-Cu mają zwykle charakter
antagonistyczny, a polegają na wypieraniu przez kadm wspomnianych pierwiastków ze
związków z białkami. W wyniku tego mechanizmu zahamowana zostaje aktywność wielu
enzymów i związków czynnych biochemicznie (np. fosfolipidów).
Kadm nawet w małych stęŜeniach moŜe powodować zaburzenia równowagi
kationowej i ograniczać syntezę aktywnej witaminy D
3
, osłabiając proces mineralizacji kości.
PoniewaŜ kadm jest pierwiastkiem podlegającym stałej akumulacji w organizmach
zwierzęcych bardzo często pojawiają się efekty jego długotrwałego oddziaływania:
uszkodzenie nerek, wątroby, jąder i gruczołu krokowego, niedokrwistość, zmiany w układzie
krąŜenia, odwapnienie kości, powikłania ciąŜy, uszkodzenia kręgosłupa i kości udowych
(choroba „Itaj-Itaj”) oraz zanik mięśni. Przy zatruciu najbardziej naraŜone są te narządy,
które odznaczają się łatwym akumulowaniem kadmu: wątroba, nerki, jadra, a takŜe zarodek.
Zwierzęta zatrute kadmem wykazują dodatkowo znaczną podatność na infekcje. Niestety
kadm nie oszczędza równieŜ mózgu – wywołuje zaburzenia w jego funkcjonowaniu. Na
szczególną uwagę zasługuje fakt, Ŝe kadm jest pierwiastkiem rakotwórczym, zwiększającym
częstotliwość występowania nowotworów płuc, nerek i prostaty.
Rtęć jest pierwiastkiem rozpowszechnionym w skorupie ziemskiej, jednak jego
koncentracja w powierzchniowych warstwach gleby jest związana głównie z działalnością
człowieka.
Stosowanie niektórych pestycydów, a przede wszystkim zapraw nasiennych
przyczynia się do znacznego skaŜenia gleb tym pierwiastkiem. Niewątpliwie niezamierzonym
skutkiem rolniczej działalności człowieka jest zatem stałe obniŜanie aktywności biologicznej
gleb przy udziale preparatów rtęciowych. Wszystkie rośliny opryskane grzybobójczymi
preparatami rtęciowymi wykazują podwyŜszoną zawartość tego pierwiastka. Najgroźniejszą
dla roślin formą rtęci są opary, które mogą powodować ich zamieranie po opryskach
grzybobójczych. Nadmierna koncentracja rtęci w glebie hamuje proces pobierania m.in.
potasu. Badania wykazują, Ŝe rtęć przenika najszybciej do krwi, wątroby, trzustki a najdłuŜej
zatrzymywana jest w mięśniach i komórkach mózgowych. Niestety rtęć wykazuje szczególną
toksyczność w stosunku do organizmów zwierzęcych, poniewaŜ zaburza enzymatyczne
przemiany w komórkach i uszkadza DNA, co wiąŜe się z dalszym działaniem mutagennym
i teratogennym. Działa poraŜająco na układ nerwowy, zaburza wzrok, słuch, mowę. Rtęć
bardzo szybko przenika przez łoŜysko i powoduje obumieranie zarodków.
Ołów jest jednym z najlepiej poznanych metali cięŜkich stanowiących powaŜne
zagroŜenie dla zdrowia i Ŝycia człowieka.
Rośliny wyŜsze pobierają ołów zarówno z podłoŜa, jak i pyłu atmosferycznego,
niemniej proces poboru jest uzaleŜniony od wielu właściwości glebowych. Gleby lekkie i
kwaśne sprzyjają gromadzeniu ołowiu w roślinach, natomiast gleby ilaste o wyŜszym pH
ograniczają przyswajalność tego pierwiastka. Niestety metal ten jest stosowany w wielu
gałęziach przemysłu, wchodzi w skład wielu barwników, emalii, a takŜe preparatów ochrony
roślin – głównie insektycydów. RównieŜ niektóre nawozy mineralne, a zwłaszcza
wieloskładnikowe (NPK), zawierają podwyŜszoną ilość ołowiu i powodują kumulacyjny wzrost
ilości tego metalu w glebie. Ołów wpływa na zaburzenie funkcji rozrodczych i wywołuje
zmiany nowotworowe a występujący we krwi kobiet cięŜarnych bardzo łatwo wnika do
zarodka. Objawy przewlekłego zatrucia przejawiają się równieŜ niedokrwistością,
konwulsjami, zmianami neurologicznymi. Badania wykazały, Ŝe ogólne osłabienie organizmu i
bóle głowy mogą być przyczyną podniesionego ogólnego poziomu ołowiu oraz innych metali
cięŜkich w organizmie człowieka.
Nie ulega wątpliwości, Ŝe tylko integracja wielu dziedzin nauk przyrodniczych moŜe
doprowadzić do praktycznych rozwiązań „toksycznych”, glebowych problemów. NaleŜy
jednak pamiętać, Ŝe największe znaczenie w kształtowaniu zdrowego środowiska mają
decyzje zapadające na poziomie gospodarstwa domowego…
… i to, w jakim Ŝyjemy świecie zaleŜy tylko od nas.
Materiał źródłowy:
1.
”Pierwiastki śladowe w środowisku biologicznym”, Alina Kabata-Pendias i Henryk
Pendias, 1979, Wydawnictwa Geologiczne,
2.
„Mikrobiologia techniczna”, Zdzisława Libudzisz, Tom I i II, PWN, 2008,
3.
„Chemia rolnicza”, Marian Górski, PWRiL, 1964, Warszawa
4.
„Biotechnika, osiągnięcia i perspektywy”, Hans Joachim Bogen, 1979, Wiedza
Powszechna,
5.
Materiał wykładowy z przedmiotu „Higiena i toksykologia Ŝywności”, wykładowca:
prof. dr hab. Alicja śechałko-Czajkowska, UP we Wrocławiu,
Regionalne Centrum Promocji i NamnaŜania Mikroorganizmów
ul. Słoneczna 32, Długołęka, 55-095 Mirków
tel. +48 71 315 20 72, www.em-farming.pl