Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологический мониторинг в зоне деятельности животноводческих предприятий
ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Экологический мониторинг в зоне деятельности животноводческих предприятий"

На правах рукописи

НЕВЕРОВА ОЛЬГА ПЕТРОВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ В ЗОНЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

03.00.16 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Екатеринбург - 2003

Работа выполнена в Уральской государственной сельскохозяйственной академии (УрГСХА)

Научный руководитель:

- доктор сельскохозяйственных наук, профессор Судаков В. Г.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных

Ведущая организация: Курганская государственная

сельскохозяйственная академия

Защита состоится «12» сентября 2003 г. в_ )в на заседании

диссертационного совета Д 220.067.02 в Уральской государственной сельскохозяйственной академии (УрГСХА) по адресу: 620219, Екатеринбург, ул. К. Либкнехта, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной сельскохозяйственной академии.

наук, профессор Кандаков Н. В. доктор биологических наук Асонов А. М.

Автореферат разослан «

##^2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета -

кандидат ветеринарных в*Гук / В. М. Мельникова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Охрана окружающей природной среды -атмосферы, поверхностных водоемов, подземных вод, почвы -рассматривается в настоящее время как одна из важнейших задач современности. К началу 2001 г. в сельском хозяйстве Свердловской области действовало около 700 сельскохозяйственных предприятий и подсобных хозяйств, промышленных предприятий и организаций, 2074 крестьянских (фермерских) хозяйства и 261,5 тысяч семей граждан имели личные подсобные хозяйства. Кроме того. 454,5 тысяч семей имели участки в коллективных садах (общая площадь 37 тысяч гектаров) и 223,9 тысяч семей - в коллективных огородах (15 тысяч гектаров) (A.C. Журавлев, В.И. Зюзина, М.И. Шакирова, 2003).

В 70-х годах прошлого века проблема охраны окружающей среды в зоне размещения животноводческих комплексов, в частности свиноводческих, возникла серьезная проблема в связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства и развитием промышленного животноводства (Н.И.Окладников, И.С. Безденежных, 1988).

Несмотря на спад промышленного животноводства, экологические проблемы, возникшие в процессе работы крупных свинокомплексов, не разрешены до настоящего времени (В.Г. Судаков, 1999). Примером тому может служить высокий уровень загрязнения почв в зоне деятельности совхоза «Горноуральский» (Лайский свинокомплекс на 216 тыс. голов в год). Влияние длительного воздействия которого на почвенные экосистемы сказывается на протяжении десятилетий после прекращения его деятельности (В.Г. Судаков и др., 2000).

На крупных свиноводческих комплексах при высокой концентрации поголовья на ограниченной территории и использовании вод для удаления навоза из производственных помещений в течение суток образуется от 500 до 10 000 м3 животноводческих сточных вод, которые содержат в больших количествах органические вещества и нередко бывают обсеменены патогенными бактериями (сальмонеллами, лептоспирами, микобактериями туберкулеза и др.), яйца гельминтов," длительное время сохраняющих жизнеспособность и вирулентные свойства (Н.И. Окладников, И.С. Безденежных, 1988).

Проводимые санитарно-гигиенические исследования почв не дают представления о физиологическом состоянии почвенных экосистем; способности почв к самоочищению (JI.A. Коваленко, 2002)..

Следовательно, необходимо проводить экологический мониторинг в зонах влияния отходов животноводства с применением биоиндикационных методов как более объективных.

Поскольку, отходы животноводства оказывают влияние на состояние водоисточников (поверхностно -гОС-'И-ХЦИМШТипШ'.' необходимы также проведения исследовани i iiHMJHIQTljilfliiii i| животноводства. Cfltiifljyi , j J

9» WßvcfrH f

S> QQ? - А

К настоящему времени накоплены определенные материалы о влиянии отходов животноводства на некоторые показатели состояния окружающей природной среды (Н.В. Черный. 1990: A.M. Леонов, В.В. Бондарен ко, 1998; В.Г. Судаков, 1999). В тоже время, остается невыясненным до конца действие контаминантов на почвенные и водные экосистемы, состояние атмосферного воздуха.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы явилось изучение влияния длительного воздействия отходов животноводства на Среднем Урале на природные среды: почвы, воды, атмосферного воздуха для выявления объективных показателей при использовании в экологическом мониторинге в антропогенных зонах.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить влияние контаминантов от свиноводческих хозяйств на биологическую активность лесной подстилки и почвы древесных насаждений в районах ведения свиноводства.

2. Выявить особенности воздействия загрязнения воздушной среды в зонах свиноводства на растительные сообщества с использованием в качестве модельного объекта сосны обыкновенной.

3. Изучить интенсивность процессов самоочищения поверхностных водоисточников от контаминантов сельскохозяйственного происхождения.

4. Выявить наиболее характерные изменения биологической активности в лесной подстилке и почве под влиянием контаминантов для диагностики состояния и прогнозирования лесных экосистем, окружающих свинокомплексы.

5. Определить общие закономерности существования водных и почвенных экосистем в зонах антропогенного влияния.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование состояния окружающей природной среды в зоне влияния животноводческих хозяйств путем изучения водных и почвенных экосистем, атмосферного воздуха с применением биоиндикационных методов.

Доказана объективность характеристики состояния почвенных экосистем в зоне воздействия животноводческих хозяйств по активности гидролитического фермента уреазы, оксидоредуктаз нитратредуктазы и каталазы.

Сформулированы положения о целесообразности проведения биоиндикации окружающей природной среды в зонах влияния животноводческих объектов методами: биометрии ассимиляционных органов сосны обыкновенной; определения ферментативной активности почв, воды поверхностных водоисточников и сточных вод.

Впервые предложены в качестве биоиндикаторов гидросферы в зонах загрязнения отходами животноводства информативные noxaiafeji^ f( активjiixctH ферментов уреазы и нитратредуктазы и коэффициенты- активности этих ферментов: коэффициент пвтениидоьн.ой активности i ,» »м л» !

нитратредуктазы КПП; коэффицент потенциальной активности урсазы КПУ.

Выявлены обшие закономерности ответной реакции биоты (волной и почвенной) на загрязнение контаминантами.

Установлены биоиндикаторы процессов адаптации почвенных и водных экосистем к контаминантам от животноводческих объектов.

Показано влияние загрязненного атмосферного воздуха на состояние ассимиляционных органов сосны обыкновенной.

Практическая значимость работы. Впервые в практике экологического мониторинга окружающей природной среды в зонах влияния животноводства использован комплекс биоиндикационных методов, позволяющих объективно характеризовать состояние элементов биосферы.

Внедрены в практику экологического мониторинга информативные показатели КПН (коэффициент потенциальной активности нитратредуктазы) и КПУ (коэффициент потенциальной активности уреазы) для наиболее объективной оценки процессов адаптации водных и почвенных экосистем.

Предложенный комплекс методов экологического мониторинга состояния окружающей среды в зоне влияния животноводческих объектов может быть использован для оценки экологической ситуации на территориях сельскохозяйственных районов в целом.

Результаты работы представленные в форме практических рекомендаций используются в учебном процессе по региональной экологии и экологии для студентов сельскохозяйственных вузов.

Показана возможность использования предложенных

биоиндикационных методов для разработки ПДН загрязняющих веществ на объекты биосферы.

На защиту выносятся:

1. Целесообразность проведения комплекса биоиндикацион-ных методов экологического мониторинга для оценки состояния экосистемы в зоне влияния животноводческих хозяйств.

2. Перспективность применения предлагаемых методов ферментативного анализа воды для определения стспени их очистки на очистных сооружениях, а также для разработки ПДН на водные экосистемы в районах сельскохозяйственного водопользования.

3. Перспективность применения предлагаемых методов ферментативного анализа почвы для определения степени деградации почвенных экосистем и их способности к самовосстановлению, а также для разработки нормативов ПДН на почвенные экосистемы в районах сельскохозяйственного пользования.

4. Целесообразность изучения адаптационно-приспособительных реакций почвенных и водных экосистем, подвергающихся антропогенному влиянию для прогнозирования их состояния

функционирования. а также принятия грамотных решений но проведению рскультивационных мероприятий.

5. Доказательство объективности, информативности и экспрессности предлагаемых методов биоиндикации состояния водных и почвенных экосистем в зонах животноводства с использованием показателей потенциальной активности ферментов уреазы и нитратредуктазы в контаминированных почвах и волах.

Апробация работы. Материалы представленные в диссертационной работе, докладывались на научных конференциях УрГСХА в 1998,1999, 2000, 2001, 2002, 2003; на Международных конференциях, проводимых в Екатеринбурге: «Уралэкология-Техноген-2000», «Уралэкология Техноген-2001», «Уралэкология Техноген-2002»; Международных Симпозиумах «Чистая вода -1999», «Чистая вода-2001», «Чистая вода -2003».

Подана заявка на предполагаемое изобретение «Способ оценки состояния водоисточников в зонах стоков сельскохозяйственных предприятий».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 печатных

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, собственных исследований, заключения, 1 приложения, списка использованной литературы. Текст диссертации изложен на 186 страницах, иллюстрации, включают 33 таблицы, 18 рисунков. Библиография представлена 238 работами, из них 25 - зарубежных авторов.

СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ -

Материалы, методы и место проведения исследований Исследования проводились на территориях животноводческих хозяйств и прилегающих к ним участков в период с 1998 по 2001 гг. в зоне влияния 14 животноводческих объектов сельскохозяйственных районов Свердловской области. Работа выполнена в лаборатории кафедры экологии и зоогигиены.

Согласно районированию Свердловской области по остроте экологической ситуации, исследуемые объекты: фирма «Бекон» Ревда, молочно-товарная ферма Кировградская птицефабрика, Первоуральский животноводческий комплекс относятся к районам с катастрофической экологической ситуацией; учебное хозяйство «Уралец» - с критической экологической ситуацией; ЗАО «Чкаловский» (Химмаш), ПСХК агрофирма «Балтым» В.Пышма, «Сосновское» Широкая речка, Среднеуральская свиноферма, Свердловская птицефабрика, Североуральский

свиноводческий комплекс - с напряженной экологической ситуацией; ПСХК «Деевский» (Алапаевск) и выбранный нами в качестве контрольного участок в окрестностях г.Сысерть (в 2-х

км от него) входят в состав Сысертско-Алаиаевского района с условно-удовлетворительной экологической ситуацией (Карта экологической ситуации ..., 1993).

На каждой из изучаемых территориях были выбраны участки площадью 25 м2 на расстояниях 5- 10, 20- 50, 50-100, 500-1000 метров в направлении господствующей розы ветров (северо-восточного направления). Условно- контрольный участок расположен в 2-х км от города Сысерти площадью 25 м2 .

При обследовании изучаемых территорий почвенные разрезы закладывали методом «конверта», выбирая более или менее однородную территорию площадью 25 м2.

На изучаемых участках проводились санитарно-гигиенические исследования почв в различных горизонтах почвенного профиля по общепринятым методикам (И.Ф. Храбустовский, М.В. Демчук, А.П. Онегов, 1984).

Определение в почве активности ферментов каталазы (КФ 1.11.1.5.), уреазы (КФ 3.5.1.5.), нитратредуктазы (КФ 1.6.6.1.) проводилось по общепринятым методикам (Д.Г. Звягинцев, 1980).

Состояние газового состава атмосферы в зонах негативного влияния промышленного и сельскохозяйственного производства проводили методами биоиндикации по комплексу признаков сосны обыкновенной, произрастающей на территории хозяйств на удалении 100-200 метров от них. Определение хлорофилла в хвое сосны обыкновенной в зонах влияния животноводческих объектов проводили методом калориметрии с использованием ФЭКа с красным светофильтром (А.И. Федорова, А.Н. Никольская, 1997; У. Дж. Мэннинг, У.А. Федер, 1985).

Определение санитарно-гигиенических и биологических исследований природных водоисточников проводили санитарно-гигиеническими методами (И.Ф. Храбустовский, М.В. Демчук, А.П. Онегов, 1984).

Изучение динамики изменения уровня загрязнения азотсодержащими соединениями (нитратами, аммиачными соединениями, мочевиной) и ферментативной активности нитратредуктазы и уреазы проводили в сточных водах с полигона для хранения птичьего помета птицефабрики «Свердловская» методами, апробированными и модифицированными нами для определения нитратредуктазы и уреазы в воде, применяемыми для исследования почв.

В процессе исследований проведен анализ 142 образцов лесной подстилки и почвы (в пяти повторностях) с 44 изучаемых пробных площадей, с использованием 3 методов ферментативной активности, и 6 методов санитарно-гигиенического исследования почвы.

Анализ воды поверхностных водоисточников, сточных вод и воды для поения животных проведен в 38 хозяйствах. Многократное определение проведено в трех поверхностных водоисточниках, с целью

изучения динамики процесса самоочищения водоемов от контаминантов. Общая численность исследованных образцов воды составляет 100 определений в трех повторностях по 18 показателям.

Биоиндикация методом определения биометрических показателей сосны обыкновенной по 16 показателям проведена в 20 районах исследования с использованием 60 веток деревьев.

Таким образом, всего проведено 1278 биологических, химических и экологических исследований почвы, 1800 анализов образцов воды, 960 определений органов сосны обыкновенной. В проведенном экологическом мониторинге окружающей природной среды выполнено обобщение 4038 показателей изучаемых образцов компонентов водной и почвенных экосистем и растительных сообществ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Биоинликация состояния окружающей среды по комплексу признаков сосны обыкновенной (пассивный мониторинг")

Исследования по влиянию свиноводческих хозяйств на состояние окружающей природной среды методом биометрии органов сосны обыкновенной показали целесообразность применения его, поскольку этот метод достаточно информативен, экспрессен, позволяет получать точные воспроизводимые результаты, обеспечен наличием объектов, пригодных для индикации в большом количестве.

Согласно нашим данным, биоиндикация окружающей природной среды по комплексу признаков сосны обыкновенной в районе деятельности свинокомплексов свидетельствует о значительном негативном влиянии на атмосферу в данных районах, как от близкорасположенных промышленных центров, так и от свиноферм, что сказывается на продолжительности жизни хвои сосны (не более 3 лет), растущей поблизости, высоким процентом хлорозов и некрозов на хвое (табл. 1,2).

Полученные в данной работе результаты биометрии хвои, побегов, почек сосны свидетельствуют о наибольшем влиянии промышленных поллютантов на изменение длины, ширины хвои, ежегодного прироста побегов, характера ветвления, величину сформировавшихся почек.

Таблица 1

Морфометрические показатели хвои сосны обыкновенной в промышленных районах и в зоне действия сельскохозяйственных

объектов

Год Длина хвои. Ширина хвои. Вес 1000 шт, (г). Продолжительность

жизни (мм), \±ш (мм), х±ш х±ш жизни (год), х±т

Промышленные районы

I 54,5±0,36 1,57±0,227 30,25±4,273

2 58,7±0,28 1,68*0,150 32,72±3,448* 2,55±0,190

3 55,5±0,46 1,74±0,140 36,16±5,301

Сельскохозяйственные районы

1 56,0±0,35* 1,8±0,1 2 46,59±5,014

2 6 1,2±0,40 1,77±0,170 45,68±й,746

3 66,4±0,44 2,06±0,649 45.75*5,277« 3,0±0,30

Примечание: *р< 0,05

Таблица 2

Биометрические показатели побегов •_

Год Промышленные районы Сельскохозяйственные районы

жизн Длина, см Толщина, см Длина, см Толщина,см

н х±т х±т х±т х±т

1 1 1,55±2,06 5,05± 1,153 * 15,25±2,522 5,2± 1,23*

2 9,1 1 ±2,064 5,95±0,782 14,45±2,201 6,38±1,411

3 8,94±2,198 6,2 1 ±0,838 12,98±2,431 * 6,91±1,166

Примечание: *р < 0,05

Особенно значимым на наш взгляд, является тот факт, что биотестирование данным методом экологического состояния природной окружающей среды по комплексу признаков сосны обыкновенной на территории города Екатеринбурга и области показало, что, несмотря, на снижающийся уровень производства в последние годы, в промышленных к районах области и в городе Екатеринбурге сохраняется сильное антропогенное загрязнение, оказывающее губительное действие на природную среду, которое проявляется наличием хлорозов и некрозов на хвое сосны, уменьшением продолжительности жизни хвои. ' Полученные в данной работе результаты биометрии хвои, побегов,

почек сосны свидетельствуют о наибольшем влиянии промышленных поллютантов на изменение длины, ширины хвои, ежегодного прироста побегов, характера ветвления, величину сформировавшихся почек.

Результаты определения хлорофилла в хвое сосны 1 года жизни в районах исследования (табл. 3) свидетельствуют, о сильном ингибирующем воздействии на процессы ассимиляции в зоне техногенного загрязнения, поскольку содержание хлорофилла в хвое деревьев. произрастающих в условиях с катастрофической экологической ситуации соответствуют нижним границам его значений для ассимиляционных органов растений.

Анализ состояния окружающей среды по комплексу признаков сосны обыкновенной (включая уровень содержания хлорофилла) показал, что вблизи свиноферм условия для произрастания растений более удовлетворительные, чем в зонах промышленных загрязнений, так как у деревьев в этих районах все биометрические показатели были приближены к средним величинам последних на контрольных участках.

Таблица 3

Результаты анализов фотометрического определения хлорофилла

Возраст хвои, (лет) Навсс -ка, мг Объем вытяжки, мл Показания ФЭКа Количество хлорофилла по калибровочной кривой мг/50мл Содержание хлорофилла в хвое

мг/г %

Сысерть 1000 50 0,28±0,0!9 9,5±0,63 17,Э±0,81 1,73±0,08

Ревда « Беком» 1000 50 0,12*0,009 3,4±0,24* 4,7±0,18 0,47 ±0,023

Алапаевск «Лесвский» 1000 50 0,19±0,01 2 4,0±0,28 10,0*0,51 1,08*0,05

Учхоз «Уралец» 1000 50 0,1 Э±0,007 3,9±0,21 * 5,0±0,28* 0,56±0,028

Примечание: *р< 0,05

Влияние отходов свиноводства на санитарно-гигиеническое состояние и биологическую активность почв (активная биоиндикация)

При изучении влияния отходов свиноводства на санитарно-гигиеническое состояние почв полученные результаты свидетельствуют о сильном антропогенном воздействии на почвы территории Свердловской области, поскольку даже в районах с условно-удовлетворительной экологической ситуацией имеет место загрязнение почв различными контаминантами. Так, большее негативное воздействие на окружающую природную среду выявлено в учхозе «Уралец», поскольку высокие показатели загрязняющих веществ определены даже на расстоянии 1000 метров от хозяйства (Н25, КО2', МИз). Однако, в зоне сильного промышленного загрязнения г. Ревды контаминирование почв сельскохозяйственными отходами не превышает таковое хозяйств в более благополучных по экологической ситуации районах.

Проведение исследований по изучению ферментативной активности лесной подстилки и почвы сосновых насаждений в зоне загрязнения отходами свиноводства выявили, что биоиндикаторами на загрязнение почв органическими веществами (фекальные загрязнения, нитратные соединения, мочевина и др.) могут быть показатели ферментов уреазы (рис. I) и нитратредуктазы (рис. 2).

■ « " М1

! V - -

1 .. ' - —- - —

- ' > 9 ------- "

Рис. 1. Аптностъ уреазы в подгоризонтах почвы нв различном удалении от свинофермы (вблизи г.

Первоуральска)

Кроме того, изучение активности каталазы указывает на развитие алаптации почвенных экосистем к различного рода контаминантам. Последняя проявляется изменением показателей активности (рис. 3) в зависимости от накопления контаминантов: резкое снижение при превышении пределов толерантности почвенной экосистемы к загрязнению, с последующим повышением показателей активности при снижении уровня контаминантов в почвах.

Активность всех изучаемых гидролитических и окислительных ферментов на условно-контрольном участке (Сысерть) и на участках сосновых насаждений в зоне сельскохозяйственного загрязнения, как правило, убывает вниз по профилю почвенного разреза.

Выявлена прямая зависимость уровня активности ферментов в верхнем горизонте почвы сосновых насаждений (уреазы, нитратредуктазы) от концентрации в нем органических и других соединений. С повышением концентрации контаминантов в почве, до определенных пределов, повышается активность данных ферментов.

Активность исследованных гидролитических и окислительных ферментов в подгоризонтах лесной подстилки изменяется в широких пределах в течение вегетационного периода и по годам и за весь период в целом, как в зонах загрязнения, так и в фоновых условиях загрязнения, и не всегда зависит от концентрации накапливаемых контаминантов.

Закономерное снижение активности каталазы в верхнем горизонте почвы, по мере приближения к источнику загрязнения (до 15 м), свидетельствует о высокой информативности данного показателя как биоиндикатора уровня биологической активности почвы при хроническом загрязнении контаминантами.

Показатели ферментативной активности уреазы, нитратредуктазы, каталазы в подгоризонтах лесной подстилки и почве могут быть использованы в качестве специфических биоиндикаторов на загрязнения органическими соединениями.

Неспецифическими биоиндикаторами развития адаптации почвенных экосистем к различного рода контаминантам служат показатели активности каталазы. При этом все предложенные биоиндикаторы, в то

же время, могут служить показателями степени нарушения почвообразовательных процессов сосновых и других лесных насаждений и лесорастительных свойств почв в зонах загрязнений.

РиС 2. Дииашаа активности ипрлрвдуктии по мр| удалвнмя от хозяйства "БалтьиГ

Расстояние от источника загрязнения

Ркс. 3. И|мактивности катала1ы в подгариюкгяк подстилки и почвы на различном

уддл^ыки &т источников иг^иеиня (по средним д&нныч)

Влияние отходов свиноводства на состояние поверхностных

водоисточников

Изучение качества воды в реках, озерах, прудах, водохранилищах, а также в колодцах и артезианских скважинах, поверхностных и

подземных источниках Свердловской области, проведенное кафедрой экологии и зоогигиены в 1998-2000 гг. убедительно показало, что вода для использования в сельском хозяйстве нуждается в очистке и обеззараживании.

Проведенная санитарно-гигиеническая оценка воды, используемой в сельскохозяйственном водоснабжении хозяйств, Свердловской области, включающая многократные анализы воды реки Чусовой в течение 1,5 лет (1997-1998), вблизи совхоза Ревдинский, разовые определения наличия различных загрязнителей воды в других водоемах, в том числе вблизи свиноводческих хозяйств показали что, происходит постоянное накопление различного рода токсикантов (соединений азота, сероводорода, хлоридов, фтор и сульфатсодержащих соединений, органических соединений). Это делает непригодной к использованию в сельскохозяйственном производстве для поения животных и других нужд воду из природных источников поскольку последние, как правило, подвергаются загрязнению сточными водами от животноводческих и других агроценозов.

Санитарно-гигиеническое исследование сточных вод совхоза «Горноуральский» на разных этапах очистки показали, что улучшение качества очищаемых вод, происходит недостаточно эффективно, поскольку, на всех этапах этого процесса содержание таких загрязнителей как аммиак, нитриты, органические вещества остаются на высоком уровне, при значительном снижении в конце процесса очистки содержания нитратов, железа, сульфат-ионов, хлоридов, сероводорода.

Проведенные исследования по определению активности уреазы, нитратредуктазы в сточных водах совхоза «Горноуральский» показали целесообразность применения ферментативного анализа для контроля, за процессами очистки воды на очистных сооружениях, и перспективность последних для использования его при оценке состояния водных экосистем, подвергавшихся загрязнению отходами сельскохозяйственного производства(табл. 4).

Применение метода ферментативного анализа сточных вод при их очистке может служить для оценки интенсивности данного процесса, позволяет выявить качественные сдвиги на различных его этапах.

Таблица 4

Активность фермента уреазы и содержание аммиака в сточных водах животноводческих объектов

Исследуемые хозяйства Активность уреазы К'Н1 мг/л 1МН5. мг/л Показатель потенциальной активности уреазы

«Североуральский» 22,4*1,10 32,1*1,60 0,69

«Чкаловский» 6,3*0,31* 13,1*0,65 0,48

«Первоуральский» 17,5*0,87 14,2*0,71* 1,23

«Балтым» 26,6*1,33* 14,6*0,73 1,82

«Бородулинский» 16,3*0.81 25,7*1,28* 0.63

Примечание: *р< 0,05

Согласно проведенным исследованиям активность ферментов нитратредуктазы и уреазы воды в поверхностных водоисточниках, подвергающихся загрязнениям от животноводческих предприятий, может служить достаточно информативным биоиндикационным показателем состояния водоемов, пригодным для оценки способности последних к самоочищению от органических соединений. Для более объективной оценки состояния водных экосистем в условиях антропогенного загрязнения нами введены коэффициенты потенциальной активности ферментов (коэффициент потенциальной активности нитратредуктазы КПН и коэффициент потенциальной активности уреазы КПУ). При этом: КПН- отношений показателя активности нитратредуктазы к уровню содержания нитратов в воде; КПУ- отношение показателя активности уреазы к уровню содержания аммиачного загрязнения.

Методы определения активности ферментов при гидробиологических исследованиях являются надежными тестами состояния водных экосистем, позволяющие выявить пределы их толерантности к загрязнениям, что обуславливает целесообразность их применения для разработки ПДН на водоисточники сельскохозяйственного пользования.

Биоиндикация состояния водоисточников контаминированных отходами птицефабрики «Свердловская»

Для оценки состояния поверхностных водоисточников необходимо применять методы, позволяющие выявлять уровни биологической активности водных экосистем, в том числе различные способы биоиндикации вод с использованием простейших, водорослей, зоопланктонных комплексов (А.П. Васильчикова, 1998; А.Н. Попов, 1999), ферментативного анализа.

Изучение динамики изменения азотсодержащих соединений и ферментативной активности нитратредуктазы и уреазы, а также биотестирование по видовому разнообразию простейших в сточных водах с полигона для хранения птичьего помета птицефабрики «Свердловская» и влияния последних на водную экосистему реки Исток до и после впадения в нее стоков из болота-полигона проводили в пробах воды:

пробная площадка №1 (ПП 1) была расположена вблизи моста через реку Исток, который соединял шоссе, на расстоянии 3-х км от аэропорта Кольцове (до впадения сточных вод в р. Исток - контроль);

ПП 2 - район Кольцово, в 2-х км от места впадения стоков с полигона птицефабрики в реку Исток (справа от шоссе на расстоянии 4-5 км от ПП1);

Г1Г1 3 - канава из болота, незагрязненного отходами птицефабрики, слева от шоссе, перпендикулярно ему («чистая» канава);

ПП 4 - канава из болота, загрязненного отходами птицефабрики, расположенная вдоль шоссе, слева от него по направлению к аэропорту Кольцово («грязная» канава); ПП 5 - 50 м от слияния вод двух канав от болот («чистого» и «грязного»).

Согласно полученным данным активность фермента нитратрелуктазы была наиболее высокой в сточных водах полигона отходов птицефабрики в начале лета и осенью (табл. 5). Она превосходила нитратредуцирующую активность вод стока «чистого» болота в данные периоды в среднем на 30%. В середине лета, напротив, уровень активности фермента, загрязненных вод, был снижен на 20% по сравнению с активностью нитратрелуктазы «чистого» болота.

В конце периода наблюдений показатели нитратредуктазной активности воды «чистого» болота и болота-полигона были близки по своим значениям, что позволяет заключить о наиболее сильном токсическом воздействии отходов птицефабрики на

нитратредуцирующую активность водной экосистемы канав в летний период.

Ферментативная активность нитратрелуктазы речных вод, загрязненных стоками с полигона отходов (проба 2) в период с середины лета до конца сентября, была ниже нитратредуцирующей активности чистой речной воды (проба 1) в среднем на 14%, но почти не отличалась от последней в начале и в конце периода наблюдений.

В эти же сроки (начало лета и середина октября) в водах реки отмечали одинаковые коэффициенты потенциальной активности нитратрелуктазы, тогда как в другое время этот показатель в пробах чистых вод превосходил значение коэффициента потенциальной активности фермента загрязненных речных вод в среднем на 15%, что свидетельствовало о периодичном умеренном токсическом воздействии сточных вод болота-полигона на экосистему реки.

Таблица 5

Динамика изменения активности фермента нитратредуктазы в процессе исследований

Дата взятия пробы Номер пробы Содержание нитратсодсржащих соединенийв воде ЫОз.мг/л Активность нитратредуктазы ЫОзМгУл Коэффициент потенциальной активности фермента

9.06.00 1 2 3 4 5 30±3,02 30±3,01 35±3,33 50±4,99 45±4,43 1 65± 16,32 165± 16,3 1 1 56,2± 14,3 1 * 197,5± I 9,34 192,5± I9,23 5,5 5,5 4,4 3,9 4,2

23.06.00 1 2 3 4 5 52,5±5,1 1 52,5±5,09 60,0±5,37 77,5±7,67 70,0±6,94 208,7±20,3 1 182,0± 17,35 21 0,0± 1 9,44 172,5± 17,21 * 1 75,0± 17,19 4,0 3,5 3,5 1,2 1,2

15.09.00 1 2 3 4 5 70,0±6,44 80,0±7,39 77,5±7,25 84,0±8,33 * 84,0±8,3 1 197,0± 18,71 1 81,0±1 7,37 168,8± 16,34 1 85,0± 17,37 1 16,5± 17,35 2,9 2,6 2,4 2,0 2,0

29.09.00 1 2 3 4 5 30,0±3,01 35,0±3,1 1 32,5±3,17 50,0±4,13 * 50,0±4,71 160,0±1 5,3 1 132,0± 12,34 17 0,0± 16,43 207,0± 19,34 200,0±19.37 •5,3 3,7 5,3 4,0 4,0

11.10.00 1 2 3 4 5 30,0±2,97 32,5±3,1 1 * 32-,5±3,09 52.5±5,13 37,5±3,24 185,0± 17,34 192,0± 18,21 187,5± 17,95 1 97,5± 1 8,34 185,0± 17,19 6,1 6,0 5.8 3.9 4,8

Примечание: р< 0,05

проба №1 - мсзотрофный водоем - река Исток (до впадения стоков)

проба №2 - мезогрофный водоем - река Исток (через 2 км после

впадения сточных вод) проба №3 - сток из «чистого болота» проба №4 - сточные воды «болота-полигона» проба №5 - смешанные воды боло!

Таблица 6

Динамика изменения активности фермента уреазы в процессе исследований

Дата Номер пробы Содержание 4 11 II и О и 11 1_1 V Активность Коэффициент потенциальной активности фермента

взятия пробы аммиачныл соединений в воде ЫНт, мг/л уреазы ЫН,, мг/л

1 3,1±0,31 93,0±9,01 30

2 3,0±0,29 90,0±8,88 30

9.06.00 3 8,0±0,74 110±10,21* 17

4 28,0±2,1 7 138*13,24 4,9

5 27,0±2,07 134*13,14» 4,9

1 2,8±0,26* 105,0±9,3 1 33

2 3,0±0,27 1 19,0± 10,34 40

23.06.00 3 6,7±0,54 135,7± 12,34 20

4 28±2,14* 300,0±27,34 10,9

5 27±2,13 273,0±26,91 10,1

1 5,0±0,35 107,2±9,3 1 21

2 4,8±0,45 * 102,3±9,71 21

15.09.00 3 20,0± 1,97 120,0±1 1,34 6

4 28,0±2,73 135,5± 12,71 4,8

5 22,5±2,1 7 1 16,5±11,32 5,2

1 10,0±0,97 122,0± 10,34 12,1

2 1 5,0± 1,34 148,5±14,37 10,0

29.09.00 3 15,0± 1,27 148,0± 14,37 10,0

4 22,5±0,33 158,0±13,93 7,0

5 22,5±2,21 160,0±15,34 7,1

1 3,0±0,29 85,5±8,3 1 28,5

2 6,3±0,61 71,3±7,3 1 11,1

1 1.10.00 3 10,0±0,94 52,5±5,14 5,0

4 1 8,3± 1,37 75,8±7,3 1 4,1

5 20,0±1,58 80,0*7.91 4,0

Примечание * р < 0,05

проба №1 - мезотрофный водоем - река Исток (до впадения стоков) проба №2 - мезотрофный водоем - река Исток (через 2 км после впадения

сточных вод) проба №3 - сток из «чистого болота» проба №4 - сточные воды «болота-полигона» проба №5 - смешанные воды болот

Синхронный характер динамики изменения активности уреазы (табл. 6) во всех исследуемых водах (пробы 1-5), а также размах колебаний ее уровня в загрязненных водах (пробы 4 и 5) - от 75 до 300 мг ЫН3 - в 2,3 раза превышающей диапазон изменений уреазной активности в течение периода наблюдений в водах незагрязненного

болота, указывают на доминирующее влияние естественных природных условий, на функционирование водных экосистем. Это обуславливает активность данного фермента в воде которая значительно усиливается при антропогенной нагрузке.

Определение коэффициента потенциальной активности фермента уреазы показало наиболее высокие значения его (от 11 до 40) в речных водах (как чистых, так и подверженных загрязнению) - пробы 1,2. Средние значения - в водах незагрязненного болота (от 6 до 20) - проба 3. Самые низкие значения этого относительного показателя (от 4 до 10,9) - в водах стока с полигона отходов птицефабрики.

Низкие значения коэффициента потенциальной активности уреазы в воде стоков полигона отходов в течение периода наблюдений параллельно при высоких значениях показателей активности фермента в ней (до 300 мг/л МН3) свидетельствуют о высокой напряженности адаптационных процессов в экосистеме воды болота полигона.

Высокие значения потенциальной активности уреазы в речных водах (пробы 1,2) в 2,5 - 4 раза превосходящие значения коэффициентов активности фермента, вод стока с полигона птицефабрики, характеризуют устойчивость речной системы к загрязнениям, которые не превышали пределов ее толерантности.

Биоиндикация водных экосистем р.Исток и сточных канав от болота полигона отходов птицефабрики, «чистого» болота, стока смешанных вод от «чистого» и «грязного» болот методом биотестирования по видовому разнообразию простейших, выявил основные биоиндикационные критерии антропогенного влияния на водные экосистемы:

- наличие разных форм ресничатых;

- степень цистообразования;

- доминирование жгутиконосцев в пробах из канав с полигонов:

- исчезновение сувоек в большинстве проб с полигонов;

- наличие тубифицид.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных исследований позволяют предложить следующую стратегию экологического мониторинга:

Экологический мониторинг за состоянием биосферы в зоне деятельности животноводческих предприятий

Биомндикаиия состояния

атмосферного воздуха (биометрия органов сосны обыкновенной)

Санитарно-гигиеническое состояние и биологическая активность почв в зоне влияния животноводческих объектов

Санитарно-гнгиеничес-кое состояние и биологическая активность волы в местах стоков животноводческих объектов

Выделение влияния агроценозов из общего объема антропогенного воздействия на окружающую природную среду

Перспективы использования выявленных изменений при анализе состояния окружающей природной среды для определения ПДН на почвенные и водные экосистемы

Эколого-экономический подход к утилизации отходов животноводства

Рекомендации для проведения экологического мониторинга в зонах влияния животноводческих объектов

Предложенный метод биоиндикации по биометрическим показателям органов сосны обыкновенной не позволяет четко дифференцировать характер загрязнений, оказывающих негативное воздействие на состояние окружающей природной среды. Поскольку, как промышленные аэротехногенные поллютанты, так и различные газы, образующиеся в результате жизнедеятельности животных, содержат соединения серы, азота, углекислый газ и др. Однако, наши исследования выявили более сильное негативное воздействие аэрополлютантов в зонах промышленных загрязнений, чем в зонах влияния животноводческих объектов. В наибольшей степени выраженное ингибирующее влияние на растительные сообщества, как показали

данные этой работы, наблюдаются в промышленных районах, на территории которых функционируют объекты животноводства, т.е. имеет место синергическое воздействие на объекты окружающей природной среды различных по химической природе и характеру происхождения контаминантов.

Биоиндикация почв методом ферментативного анализа в зонах загрязнения отходами свиноводства, выявили, что при попадании контаминантов в них в почвенных экосистемах развиваются процессы адаптации разной степени напряженности в зависимости от удаленности участков исследования от источников загрязнения.

Проведенный корреляционный анализ между Показателями активности оксидоредуктаз (нитратредуктазы и каталазы), показал высокую сопряженность последних в хозяйстве «Балтым» (гху= 0,847), вместе с тем не выявлено корреляционной зависимости уреазы и нитратредуктазы, что по всей вероятности обусловлено различием в процессах трансформации азота в почвах катализируемого этими ферментами.

Наши исследования показали, что активность ферментов нитратредуктазы и уреазы воды в поверхностных водоисточников, может служить достаточно информативным биоиндикационным показателем состояния водоемов, пригодным для оценки способности последних к самоочищению от органических соединений.

Данные полученные в этой работе позволяют рекомендовать к использованию в качестве биотеста на загрязнение как активность фермента нитратредуктазы так и фермента уреазы (с обязательным определением коэффициентов потенциальной активности этих ферментов), поскольку проведенный корреляционный анализ выявил равнозначность этих биоиндикаторов при оценке влияния антропогенного воздействия на поверхностные водоисточники (г,у= 0,648).

Коэффициент корреляции между относительным показателем КПН и КПУ имеет высокое значение (гху=0,648), что указывает на целесообразность и равноценность применения этих относительных показателей при оценке состояния водных экосистем, поскольку каждый объективно отражает пределы толерантности водных экосистем к азотсодержащим контаминантам.

Эколого-экономическая оценка ущерба причиняемого окружающей природной среде и перспективы предупреждения загрязнения природной среды отходами свиноводства рассмотренные в данной работе позволяют предусмотреть экономический эффект от мероприятий по утилизации отходов при расчете в каждом конкретном хозяйстве.

1. Исследования по экологическому мониторингу состояния биосферы в зоне деятельности животноводческих предприятий выявили сильное негативное воздействие последней на состояние окружающей природной среды в зоне влияния животноводческих объектов.

2. В наибольшей степени выраженное ингибируюшее влияние на растительные сообщества, наблюдаются в промышленных районах, на территории которых функционируют объекты животноводства, т.е. там где имеет место синергическое воздействие на объекты окружающей природной среды различных по химической природе и характеру происхождения аэрополлютантов.

3. Санитарно-гигиенические исследования почвы на территории свиноводческих комплексов показали высокую степень загрязнения последней вблизи свиноферм (до 50 метров от них).

4. Под влиянием аэрополлютантов различной химической природы происходят в разной степени выраженные изменения и нарушения биологической активности почв в зависимости от расстояния и направления от источников загрязнения.

5. Показатели ферментативной активности уреазы, нитратредуктазы, в подгоризонтах лесной подстилки и почве могут быть использованы в качестве специфических биоиндикаторов на загрязнения органическими соединениями.

Неспецифическими биоиндикаторами развития адаптации почвенных экосистем к различного рода контаминантам служат показатели активности каталазы и коэффициента КПН.

6. Интегративный характер показателей активности почв агроценозов, обусловленный аккумуляцией почвенными структурами ферментов, выделенных всеми компонентами экосистемы (опавшими листьями, другими растительными остатками, корнями деревьев, грибами микроорганизмами и другими геобионтами), дает основание применять метод ферментативного анализа почв как достаточно простой, информативный и наиболее объективный экспрессный метод для оценки и прогнозирования наземных экосистем.

7. Проведенные исследования, в речных водах вблизи свиноводческих хозяйств, выявили постоянное накопление различного рода токсикантов (соединений азота, сероводорода, хлоридов, фтор и сульфатсодержаших соединений, органических соединений). Это делает непригодной к использованию в сельскохозяйственном производстве для поения животных и других нужд воду из природных источников без предварительной очистки и обеззараживания.

8. Применение метода ферментативного анализа сточных вод при их очистке, а также в поверхностных водоисточниках, подвергающихся загрязнению от животноводческих предприятий, может служить информативным биоиндикационным показателем интенсивности

процесса очищения сточных вол и способности водных экосистем к самоочищению от органических соединений.

9. Методы определения активности ферментов при гидробиологических исследованиях являются надежными тестами состояния водных экосистем, позволяющие выявить пределы их толерантности к загрязнениям, что обуславливает целесообразность их применения для разработки ПДН на водоисточники сельскохозяйственного пользования.

10. Изучение динамики ферментативной активности нитратредуктазы и уреазы в водах р. Исток показало периодическое умеренное токсическое воздействие сточных вод полигона отходов птицефабрики «Свердловская», не превышающее пределов толерантности водной экосистемы реки Исток.

11. Применение относительных показателей активности ферментов нитратредуктазы и уреазы (КПН и КПУ), выявило высокую устойчивость речной экосистемы к загрязнению отходами птицеводства, поскольку их значения в водах участков до впадения стока в р. Исток и через 2 км от него отличались незначительно.

12. Проведенный экологический мониторинг состояния биосферы в зоне деятельности животноводческих предприятий, показывает перспективность комплексных исследований состояния биологической активности почв (включающий в себя санитарно-гигиенические исследования и определения активности ферментов каталазы, нитратредуктазы, уреазы), воды поверхностных водоисточников сельскохозяйственного водопользования. Предложенные методы биоиндикации могут быть использованы для определения пределов толерантности природных экосистем к различного рода загрязнениям, и последующему обоснованию нормативов ПДН, применяемых в природопользовании.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

В целях улучшения экологической ситуации в зонач влияния животноводческих объектов на наш взгляд целесообразно провести след-ующие мероприятия:

1. С учетом развития процессов адаптации в почвенных экосистемах контаминированных отходами сельскохозяйственного производства необходимо выявлять пределы толерантности почвенных экосистем к последним, и призначительно сниженной биологической активности почв проводить рекультивационные мероприятия с известкованием почв (в зависимости от рН). внесение золы (от золоотвалов ГРЭС) с обязательным контролем за кислотностью почв.

2. В условиях со снижением показателей КПН и КПУ (замедленная трансформация органических веществ) необходима разработка

биотсхно.Ю!нчсских методов восстановления нитратред) пирующей микрофлоры, высева травянистых культур в зонах загрязнения в целях восстановления свойств почвы к самоочищению.

3. Путем применения ферментативного анализа воды загрязненных водоисточников отходами животноводства и выявления при помощи предложенных нами коэффициентов КПН и КПУ пределов толерантности водных экосистем к загрязнениям следует проводить соответствующие водоочистительные водоохранные мероприятия, при уровне контаминирования водоемов превышающем их возможности к самоочищению.

4. Для улучшения состояния атмосферного воздуха в зонах влияния животноводства необходима реконструкция животноводческих помещений с установлением фильтров улавливающие токсические газы (аммиак, сероводород).

Список наиболее значимых работ

1. Судаков В.Г., Коваленко Л.А., Неверова О.П. Привлечение студентов к проведению мониторинга окружающей среды в процессе изучения предмета экологии // Сб. «Качество образования. Проблемы. Оценки. Управление. Опыт». - Новосибирск, 1999. - С. 48.

2. Судаков В.Г., Коваленко Л.А., Неверова О.П. Новые методологические подходы к экологической оценке почвы, загрязненной отходами свиноводства // Сб. «Экологические проблемы пром. регионов» Выставка Уралэкология техноген -99». - Екатеринбург, 1999. - С. 99.

3. Коваленко Л.А., Неверова О.П., Баданова Е.В. Мониторинг окружающей природной среды по комплексу признаков сосны обыкновенной // «Экологические проблемы промышленных регионов,» Выставка «Уралэкология Техноген - 99». - Екатеринбург, 1999. - С. 89-90.

4. Неверова О.П. Санитарно-гигиенические исследования воды, используемой в сельскохозяйственном водопользовании // Сб. тез. «Экологические проблемы свиноводческих предприятий».- Екатеринбург. 1999. - С. 17.

5. Судаков В.г., Неверова О.П. Экологическое состояние сточных вод Лайского свиноводческого комплекса // Тезисы докладов Международного симпозиума. Чистая вода России - 99-. - Екатеринбург, 1999. - С.131.

6. Жуков В.В.. Неверова О.П-, Качественная и количественная характеристики почвенной биоты в зоне свиноводческих комплексов свердловской области// Сб. «Экологические проблемы промышленных регионов» «Уралэкология-Техноген-2000». - Екатеринбург, 2000. С. 109.

7. Судаков В.Г., Коваленко Л.А., Неверова О.П. Способ определения и прогнозирования санитарно-гигиенического состояния почвы в зоне свиноводства // В кн. «Экологическая безопасность Урала» Мат. Научно-

техн. конф. » рамках мсждунар. выставки «Уралэкология -Техноген-2002». - Екатеринбург. 2002,- С. 162.

8. Коваленко Л.А., Ткаченко И.В.. Неверова О.П. Метод оценки антропогенной нагрузки на водные экосистемы // Тез. Докл. IV Межрегиональной научно-практ. Конф..» Российские регионы; Проблемы, суждения, поиск путей развития»,- Киров, 2001.'- С. 211212.

9. Неверова О.П. Биоиндикания толерантности водных экосистем к загрязнению нитратными соединениями // Сб. материалов конкурса «Будущее города - глазами студентов»,- Екатеринбург, 2003. - С.87-88.

10. Заявка на изобретение «Способ оценки состояния водоисточников в зонах стоков сельскохозяйственных предприятий» № 2002102026/13 (001679) от 21.01.2001 г.

Подписано к печати 9. 07. 2003г. Формат 60x84 1/16 Объем 1. О п. л. Тираж 10С Заказ 921

Цех № 4 ОАО "Полиграфист" г. Екатеринбург. Тургенева, .20

Р129 2 О

Содержание диссертации, кандидат биологических наук , Неверова, Ольга Петровна

Введение Диссертация по биологии, на тему "Экологический мониторинг в зоне деятельности животноводческих предприятий"

Заключение Диссертация по теме "Экология", Неверова, Ольга Петровна

Библиография Диссертация по биологии, кандидат биологических наук , Неверова, Ольга Петровна, Екатеринбург