Экологическое состояние почв г. Свирска иркутской области: особенности накопления и детоксикации тяжелых металлов
Скачать 1.98 Mb.
|
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ ФГБОУ ВПО «ИРКУТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» АГРОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ На правах рукописи СОСНИЦКАЯ Татьяна Николаевна ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ Г. СВИРСКА ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ: ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И ДЕТОКСИКАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ Специальность 03.02.08 – «экология» (биологические науки) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель: Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Ш.К. Хуснидинов Иркутск – 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………...………………………4
металлам и мышьяку…………...……………………………………..……………....15
металлами и мышьяком……………………………………………….……….21
по устранению экологической катастрофы в МО г. Свирск………………..…..….37
здоровья населения и миграционной способности токсикантов в системе почва-растения………………………….…………………………..62 4. ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И МЫШЬЯКОМ В МО Г. СВИРСК И ПРИЕМЫ ИХ ДЕТОКСИКАЦИИ
тяжелыми металлами и мышьяком и состояния здоровья населения……………………………….…………………………………..64
их освоения и окультуривания ……………………….…………………...71
растениях в результате систематического применения органических удобрений…………. ……………………………………………………….78
различными видами растений………………………………………...…...82
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ……………………………….……………….101 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…………………………………………..…………104 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………105 Приложение 1 – Принципиальная схема оценки почв сельскохозяйственного использования, загрязненных химическими веществами……………………………………………………….….126 Приложение 2 – Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве и допустимые уровни их содержания по показателям вредности……………………………….127 Приложение 3 – Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю (Zc)…………………...127 Приложение 4 – Технологическая карта возделывания картофеля (валовой сбор 1200 т.)………………………………………………………….……128 Приложение 5 – Технологическая карта возделывания картофеля (валовой сбор 2000 т.)……………………………………………………………….129 ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследований. Почвенный покров Муниципального Образования (МО) г. Свирск Иркутской области подвержен мышьяковому и свинцовому загрязнению. Загрязнение мышьяком явилось следствием деятельности Ангарского металлургического завода (АМЗ) в г. Свирске, производящего мышьяк для нужд оборонной промышленности СССР в 1934-1949 годах (Баранова, 2007; Пшонко, 2009), а свинцовое загрязнение – следствием работы аккумуляторного завода действующего с 1941 года по настоящее время. В последние годы (2011-2013 гг.) очень большое внимание уделяется проблемам ликвидации очага загрязнения, определению границ и степени загрязнения ОПС МО г. Свирск мышьяком. После выделения финансовых средств из федерального бюджета в 2013 году за пределы г. Свирска были вывезены разрушенные цеха, отходы производства АМЗ и зараженная почва. Несмотря на ликвидацию очага загрязнения, необходимость детоксикации почвенного покрова зараженной территории актуальна. Однако технологические решения проблемы детоксикации ТМ и мышьяка и производства экологически безопасной продукции пока не разработаны. На землепользовании МО г. Свирск созданы и функционируют 9 садово-огородных кооперативов, где жители города для собственных нужд выращивают плодоовощную продукцию и картофель, которые в разной степени загрязнены ТМ и мышьяком. Для детоксикации почв в настоящее время рекомендуются разнообразные физические, химические и биологические приемы. В связи со спецификой загрязнения ОПС МО г. Свирск, проблема детоксикации почв и производства экологически безопасной продукции требует комплексного решения, включающего мониторинг степени загрязнения почв и растений, фрезерную обработку почвы при их освоении и окультуривании, внесение компостированных органических удобрений, фитоэкстракцию ТМ и мышьяка за счет возделывания специальных растений-фитоаккумуляторов и выращивание растений-толерантов, которые в условиях загрязнения обеспечивают получение экологически безопасной продукции. Однако эти технологические решения в условиях региона остаются слабо изученными. Цель. Снижение уровня загрязнения почвенного и растительного покрова МО г. Свирск и получение экологически безопасной продукции растениеводства. Задачи:
Научная новизна. Впервые в условиях региона проведено комплексное изучение уровня загрязнения почвенного и растительного покрова и дана оценка состояния здоровья населения МО г. Свирск. Изучен комплекс мероприятий по детоксикации ТМ и мышьяка и производства экологически безопасной продукции растениеводства в результате их освоения и окультуривания, длительного применения органических удобрений. Изучена экологическая эффективность растений – фиторемедиантов и разработаны технологии фитоэкстракции техногенно загрязненных мышьяком почв. В условиях техногенного загрязнения с целью получения экологически безопасной продукции произведена оценка толерантности (устойчивости) растений. Практическая значимость. Предложена технология детоксикации почвенного покрова за счет систематического применения органических удобрений и снижения загрязнения почв в результате их освоения и интенсивной обработки, определены сельскохозяйственные растения, отличающиеся толерантностью (устойчивостью) к загрязнению среды МО г. Свирск мышьяком и свинцом, - выявлены растения, обладающие кумулятивными свойствами, рекомендуемые для фитоэкстракции – приема постепенного извлечения, отчуждения и очистки почв от загрязнителей. Материалы исследований могут быть использованы для разработки технологий по получению экологически безопасной продукции. Защищаемые положения:
Апробация. Основные результаты исследований были доложены на: Всероссийском научно-практическом семинаре «Ресурсосберегающие технологии производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции» (Иркутск, 2011); Научно-практическом семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА» (Иркутск, 2012), Международной научно-практической конференции молодых ученых (Иркутск, 2012), Научно-практическом семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА» (Иркутск, 2013), Международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» (Иркутск, 2013), Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию аспирантуры ИрГСХА «Экологическая безопасность и перспективы развития аграрного производства Евразии» (Иркутск, 2013), Региональной научно-практической конференции с международным участием, посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО ИрГСХА «Современные проблемы и перспективы развития АПК» (Иркутск, 2014). Публикации. По результатам исследований опубликовано 8печатных работ. Личный вклад. Автор принимала непосредственное участие в разработке программы и методики исследований, проведении полевых и лабораторных исследований, обработки результатов исследований и подготовки диссертации к защите. Автор выражает благодарность научному руководителю – д.с.-х.н., профессору Ш.К. Хуснидинову за всестороннюю помощь и поддержку в проведении диссертационного исследования и консультации при работе над диссертацией, а также директору ФГБУ «ЦАС «Иркутский» М.В. Бутырину за содействие в проведении лабораторных исследований. 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Токсические свойства тяжелых металлов и мышьяка ТМ – группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см3. Этот термин заимствован из технической литературы, в которой металлы классифицируются на легкие и тяжелые. Для биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, то есть считать тяжелыми металлы с атомной массой более 40 (Большаков, 2002).Класс опасности химического элемента определяется канцерогенностью соединений элемента, прямо пропорционален атомной массе элемента и растворимости в воде его неустойчивых соединений и обратно пропорционален предельно допустимой концентрации (ПДК) элемента в почве. К высоко опасным относятся As, Cd, Hg, Se, Pb и Zn, умерено опасным – Co, Ni, Mo, Cu, Cr и Sb, малоопасным – Ba, V, W, Mn и Sr (Водяницкий, 2009). Есть жизненно необходимые металлы для организмов. Например, цинк, железо, марганец, медь и др. Они присутствуют в теле животных и растений в ничтожно малых количествах и необходимы им в биохимических процессах (Глобальные …, 2001). Они выполняют в тканях весьма ответственную роль катализаторов жизненно важных процессов. Когда же ТМ поступают в организм в избыточном количестве в качестве техногенных загрязнителей внешней среды, они могут накапливаться и вызывать токсические эффекты (Трахтенберг, 1994). ТМ делятся на две группы – «токсические» и микроэлементы, используемые в малых количествах в сельском хозяйстве (Варламов, 2000). Таким образом, понятие «тяжелые металлы» во многом совпадает с понятием «микроэлементы». Но для повышенной концентрации этих элементов термин «микроэлементы» не пригоден, в таких случаях применяют термин «тяжелые металлы» (Ильин 1982; Большаков, 2002). Токсическими называют металлы, которые не являются ни жизненно необходимыми, ни благотворными и даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических функций (Николаева, 2009). Металлы вообще и в особенности ТМ, крайне токсичны для клеток. Среди этой категории свинец, мышьяк, ртуть принадлежат к числу давно известных ядов (Бузмаков, 2005). В рекомендациях ЮНЕП наиболее опасными тяжелыми элементами считаются Cd иAs. Особо токсичные ТМ (Hg, Cd, Pb, As, Sr, Cu, Zn, Fe) включены в перечень веществ, подлежащих контролю при международной торговле пищевыми продуктами (Вяйзенен, 2011). Рост концентрации ТМ в окружающей среде (ОС) способствует увеличению их содержания во всех компонентах экосистем (Халитов, 2004). Поступление ТМ в ОС оказывает негативное воздействие на почвы и растения и представляет угрозу для здоровья человека (Воробьев, 2006). Организм реагирует на поступления ТМ аккумуляцией высоких концентраций загрязнителя и изменениями в процессах метаболизма (Ковальчук, 2002). Избыточное поступление ТМ в живые организмы нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие (Лозановская, 1998). Вопросы, связанные с уровнем загрязнения ТМ природной среды в районах расположения крупных промышленных предприятий и городов, давно находятся в центре внимания исследователей (Кузнецова, 2009). Токсическое действие ТМ может быть прямым и косвенным. При прямом воздействии у организмов блокируются ферменты. К косвенному воздействию относится перевод биогенных элементов в недоступное состояние (Груздева, 2010). ТМ всасываются в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ), встраиваются в ферментные системы, физиологические процессы вместо жизненно необходимых макро и микроэлементов (особенно активно при их недостатке), приводя к нарушению деятельности соответствующих физиологических систем (Минина, 2000). Молекулярными мишенями, то есть объектами атаки ионов тяжелых металлов, служат: - гемсодержащие белки и ферменты; - системы перекисного и свободнорадикального окисления липидов и белков, а также системы антиоксидантной и антипероксидантной защиты; - ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты); - белки клеточных мембран и ионные каналы мембран (Ложнеченко, 2008). Ряд ТМ обладает кумулятивным эффектом и канцерогенным действием. К их числу относятся свинец, кадмий и др. (Коваленко, 1997). Мышьяк – полуметалл. В природной среде он может встречаться в четырех типичных степенях окисления As3-,As0,As3+,As5-. Наиболее часто в природной среде встречается пятивалентный мышьяк в виде аниона Н2AsО4 и трехвалентный как соединение Н3AsО3, которые преобладают в редукционных условиях с низкимPh. Являясь элементом переменной валентности и находясь в периодической системе на границе металл-неметалл, мышьяк обнаруживает свойства, характерные как для металлов, так и для неметаллов. Поэтому биогеохимические характеристики мышьяка весьма различны в биологических процессах и экологических системах (Зверев, 2001). Мышьяк – высокотоксичный элемент, содержащийся во всех объектах окружающей среды. В естественных условиях мышьяк поступает в окружающую среду при извержении вулканов и ветровой эрозии почв. Существенную роль в загрязнении мышьяком объектов окружающей среды играют: добыча и переработка руд и минералов; пирометаллургия и производство серной кислоты; синтез и использование мышьяксодержащих пестицидов, антисептиков и реагентов. Содержание мышьяка в почвах фоновых районов составляет 0,3-12,9 мг/кг. В почве он аккумулируется в пахотном слое, мигрируя на глубину 60 см (Черников, 2009). Более высокое содержание мышьяка характерно для черноземов и серых лесных почв, низкие – преобладают в почвах тундры и подзолистых. Для всех почв, кроме тундровых, проявляется тенденция к увеличение содержания мышьяка в верхних горизонтах почв, что указывает на поступление мышьяка с растительными остатками. Среднее содержание мышьяка в почвах мира составляет 5 мг/кг. Находящиеся в почве соединения мышьяка легкорастворимы, особенно в кислой среде. Все растворимые соединения мышьяка сильно токсичны (Нейтрализация загрязненных почв, 2008). Пятивалентный мышьяк менее ядовит, чем трехвалентный, так как он в 4-10 раз менее растворим (Черников, 2009). Мышьяк (тиоловый яд) взаимодействует с тиоловыми группами белков: цистеином, глутатионом, липоевой кислотой, нарушая обмен серы, селена, фосфора. Мышьяк накапливается в печени, почках, селезенке, легких, стенке пищеварительного тракта. Основное депо мышьяка – эритроциты и селезенка. Мышьяк долго сохраняется в костях и волосах. При вдыхании пыли мышьяковых соединений происходит раздражение глаз и слизистых оболочек дыхательных путей, слезотечение и резь в глазах, покраснение конъюнктивы, набухание слизистой носа, насморк, чихание, кашель и иногда кровохаркание. При более тяжелых отравлениях к этим симптомам добавляются желудочно-кишечные расстройства: сладковатый вкус во рту, тошнота, рвота, боли в животе (Илларионова, 2010). Токсические свойства мышьяка обуславливаются как общим, так и местным действием. Общее действие мышьяка на организм связано с вызываемым им нарушением окислительных процессов в тканях из-за блокады сульфидных групп ферментных систем. Местно – вызывая раздражение и воспаление тканей, а в дальнейшем – некроз. Как местное, так и общее действие мышьяка связано с влиянием на капилляры. Капилляры становятся более проницаемыми, результатом чего могут быть различные последствия, вплоть до полного тканевого распада. Мышьяк считается канцерогенным элементом (Бузмаков, 2005). Мышьяк может вызвать как острые, так и хронические отравления. Хронические отравления мышьяком, проявляются в прогрессирующем похудании, острых болях в конечностях, нарушении памяти, речи, развитии психозов, нарушении кожной чувствительности, развитии дерматитов, поражении печени (Каплин, 2007). Острое отравление приводит к нарушению центральной нервной системы (ЦНС), выражается в общей слабости, болезненных судорогах различных мышечных групп, потери сознания и параличах жизненно важных центров продолговатого мозга. Смерть может наступить через несколько часов, самое позднее через день без проявления желудочно-кишечных расстройств. Токсическая доза (ТД) мышьяка для человека 5-50 мг, летальная доза (ЛД) 50-340 мг. (Илларионова, 2010). Среднестатистический человек носит в себе 14-21 мг мышьяка на одном уровне с I, Sn, Cd, Mn. В отличие от других микроэлементов мышьяк достаточно быстро выводится из организма. В 1970-х годах сложилось представление о мышьяке как о жизненно важном элементе. Физиологический уровень мышьяка составляет 0-2 мкг/г., пороговый – 3 мкг/г, показатель острого или хронического воздействия – 12 мкг/г. В животных организмах мышьяк служит регулятором деятельности ферментов (энзимов) в процессе метаболизма аргинина – незаменимой аминокислоты, присутствующей в организме в свободном виде и в составе белков. Аргинин участвует в синтезе мочевины и других процессах азотистого обмена. Многие признаки дефицита мышьяка сходны с проявлением цинковой недостаточности – это депрессия роста, угнетение синтеза мочевой кислоты. В малых дозах мышьяк положительно влияет на кровеобразовательную функцию, способствуя увеличению количества гемоглобина, эритроцитов, лейкоцитов, улучшает обмен веществ, увеличивает скорость роста тканей, способствует чистоте кожи и росту волос, толщине костей (Зверев, 2001). Свинец – серый мягкий металл (Явербаум, 2006). Отравление свинцом – представляет пример наиболее частого заболевания, обусловленного воздействием ОС. В большинстве случаев речь идет о поглощении малых доз и накоплении их в организме, пока его концентрация не достигнет критического уровня необходимого для токсического проявления. При поступлении с пищей и водой свинец распределяется в организме животных и человека по скелетному типу. Наиболее высокая концентрация свинца наблюдается в зубах. Если свинец поступает в организм через дыхательные пути, то он быстро достигает кровотока и тогда его действие максимально. Свинец ингибирует действие многих энзимов, а также инкорпорацию железа. Токсическое действие свинца во многом обусловлено его способностью образовывать комплексы с лигандами, содержащими сульфгидрильные и карбоксильные группы. Свинец вызывает как острое, так и хроническое отравление. Острое отравление свинцом возникает при попадании значительных его доз через желудочно-кишечный тракт. Оно выражается в наступлении приблизительно через час сладковатого вкуса во рту, слюнотечении, тошноте, рвоте, судорожных болях в желудке. Симптомы хронического отравления весьма разнообразны в зависимости от количества, поступившего в организм свинца и индивидуальных особенностей организма. Ранними (хотя и не постоянными) симптомами отравления считаются обычно: свинцовая кайма, определенные изменения крови, появление гемотопорфирина в моче. Свинцовая кайма образуется вследствие отложения в деснах свинца. Она представляет собой узкую полоску по краю десен у передних зубов. Встречается также желтоватый или коричнево-желтоватый налет на зубах, лиловато-серая окраска и пятна на слизистой щек и на губах. Наиболее резко выраженным и тяжелым симптомом является свинцовая колика. Она развивается обычно внезапно и бурно. Появляются сильные схваткообразные боли в животе или правом подреберье. Плохой аппетит, нередки рвоты, выделение вязкой слюны. Пульс замедляется до 50-40 ударов в минуту, повышается кровяное давление, присутствуют головные боли, бессонница, подавленность, мышечные боли. Органами-мишенями при свинцовом отравлении являются кроветворная и нервная системы и почки. Меньший ущерб наносится ЖКТ. На уровне кроветворной системы проявляется анемия. На уровне нервной системы – поражение головного мозга и периферических нервов. В головном мозге выражен отек серого и белого вещества. Мозговые поражения сопровождаются конвульсиями и бредом. Из периферийных нервов поражаются нервы мышц. Тяжелее всего страдают нервы – разгибатели кисти, которая приобретает вид «рогов оленя». Признаки, свидетельствующие о почечных нарушениях, обычно проявляются в дисфункции. ТД свинца для человека 1 мг, ЛД -10 г (Илларионова, 2010). Данные о биологической роли свинца полностью отсутствуют. Однако, в литературе встречаются работы, освещающие ряд моментов, которые можно трактовать как определенное положительное действие свинца на процессы жизнедеятельности. Например, при дефиците свинца наблюдалась задержка роста крыс. В последнее время появились данные, что при недостаточном содержании свинца в диете у подопытных животных, отмечается не только отставание в росте, но и в развитии (Явербаум, 2006). |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Доклад о положении в сфере соблюдения прав и свобод человека и гражданина... Иркутской области, представляю Губернатору Иркутской области, в Законодательное Собрание Иркутской области, прокурору Иркутской области,... | | Совета Законодательного Собрания Иркутской области по взаимодействию... Ательного Собрания Иркутской области по взаимодействию с представительными органами муниципальных образования Иркутской области от... |
| Совета Законодательного Собрания Иркутской области по взаимодействию... Тельного Собрания Иркутской области по взаимодействию с представительными органами муниципальных образований Иркутской области от... | | План мероприятий по реализации государственной политики в области... Разработка и принятие Закона Иркутской области «Об отходах производства и потребления на территории Иркутской области» |
| Исследовательская работа «Исследование загрязнения городских почв тяжелыми металлами» Эти вещества, накапливаясь год от года, оказывают вредное влияние на растения, животных и человека. Количество тяжелых металлов в... |  | Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Оценка аккумулирующей... «Оценка аккумулирующей способности тяжелых металлов древесными растениями полезащитных лесонасаждений» |
| «Мураевинская начальная общеобразовательная школа» «Экологическое... Практические рекомендации по улучшению экологического состояния родников (выработка правил обустройства родника) | | Рабочая программа курса география Иркутской области. 8-9 класс (базовый... «География Иркутской области» введён в региональный план на который отводится 34 часа. В 8 классе изучается «Физическая география... |
| Рабочая программа по географии Иркутской области (8-9 класс) «География Иркутской области» введён в региональный план на который отводится 34 часа. В 8 классе изучается «Физическая география... | | Пояснительная записка Курс «География Иркутской области» «География Иркутской области» введён в региональный план на который отводится 34 часа. В 8 классе изучается «Физическая география... |
| 1. общие положения Правительства Иркутской области от 18 ноября 2009 года №339/116-пп «О порядке введения и установления систем оплаты труда работников... | | План-конспект урока положение металлов в пс и особенности строения их атомов Повторить положение металлов в периодической системе, особенности строения их атомов и кристаллов; обобщить и расширить знания учащихся... |
| Тема «Атомы химических элементов» Иллюстрация. Физ св-ва металлов: агрегатное состояние металлов при обычных условиях | | Отчет министерства промышленной политики и лесного комплекса Иркутской... Постановлением Правительства Иркутской области от 3 декабря 2012 года №689-пп «О министерстве промышленной политики и лесного комплекса... |
| V. состояние, использование и охрана земельных ресурсов и почв Государственный доклад «О состоянии окружающей среды на территории Тверской области в 2010 году» | | Рабочая программа по географии Иркутской области Рабочая программа по «Географии Иркутской области» составлена на основе Программы курса «География Иркутской области» и информационных... |
