Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние загрязнения почв вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината на растения

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние загрязнения почв вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината на растения"

На правах рукописи

Вахрушева Олеся Михайловна

ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ

ВБЛИЗИ КИРОВО-ЧЕПЕЦКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

НА РАСТЕНИЯ

03.02.08 — экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 8 НОЯ 2013

Сыктывкар 2013

005540939

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН

Научный руководитель: Евсеева Татьяна Ивановна

доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии Коми НЦ УрО РАН

Официальные оппоненты: Смагин Андрей Иванович

доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории радиационной безопасности ЮжноУральского института биофизики

Федорков Алексей Леонардович доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии Коми НЦ УрО РАН

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт экологии растений и животных УрО РАН

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 1000 ч на заседании диссертационного совета Д 004.007.01 в Федеральном государственном учреждении науки Институт биологии Коми научного центра УрО РАН, 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 28

E-mail: dissovet@ib.komisc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биологии Коми НЦ УрО РАН.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук

Алевтина Григорьевна Кудяшева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изменения состояния и функций экосистем, обусловленные деятельностью человека, привели в XXI в. к необходимости разработки единой системы защиты живой природы от техногенных воздействий, в том числе радиационных и химических (Структурно-функциональная..., 2003; Protection..., 2003; Алексахин, Фесенко, 2004; Бе-зель, 2006). Единство идеологии этих концепций выражается в стремлении рассматривать целостность экосистем как основание для нормативных моделей и как необходимое условие дальнейшего развития человеческой цивилизации.

Одним из основных источников поступления в окружающую среду мутагенных и токсичных веществ является химическая промышленность. Кирово-Чепецкий химический комбинат (КЧХК) создан в 1938 г. как объект военно-промышленного комплекса. Производство тетра- и гек-сафторидов урана на химкомбинате до 1992 г. велось без учета возможного ущерба для окружающей среды и привело к радиоактивному загрязнению прилегающей территории (Мусихина и др., 2009). В настоящее время КЧХК объединяет два крупных предприятия ООО «Завод минеральных удобрений» (ЗМУ) и ООО «Завод полимеров» (ЗП). На ЗМУ производят аммиак, азотную кислоту, аммиачную селитру и сложные удобрения (Особенности урбоэкосистем..., 2012).

В результате прошлой и нынешней деятельности КЧХК, связанной с производством и хранением радиоактивных и химических веществ, ландшафты водосборного бассейна р. Вятки были загрязнены радионуклидами (РН), тяжелыми металлами (ТМ) и технологическими отходами производства аммиака, аммиачной селитры, азотной кислоты, фтористого водорода, хлора и гидроксида натрия.

Радиоактивное и химическое загрязнения рассматривают как факторы деградации почвы, приводящие к снижению ее плодородия и нарушению экологических функций этого важнейшего звена биосферы (Структурно-функциональная..., 2003; Оценка современной..., 2008; Алексахин, 2009). В свою очередь, ухудшение свойств почв как среды обитания может повлечь за собой коренные изменения структуры природных популяций растений и животных, их генофонда.

Поскольку радионуклиды, как и нерадиоактивные химически токсичные металлы, включаются в биологический круговорот, то они могут вызывать негативные эффекты в организмах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Тяжелые естественные..., 1990). Установлено, что их соединения в повышенных концентрациях оказывают мутагенное и токсическое воздействие на организмы животных и растений (Brunst, 1965; Левина, 1972; Алексахин и др., 1986; Whicker, 1997; Genotoxic effects..., 1998; Krivolutzkii et al., 1999; Effects on non-human..., 2007; Geras'kin et al, 2008; Bai et al, 2011), а при совместном воздействии факторов радиационной и химической природы на биологические объекты возможно возникновение синергических эффектов (The combined..., 1996; Zhang, Xiao, 1998; Малые дозы..., 1999; Евсеева, Гераськин, 2001; Cytogenetic effects..., 2005).

Однако в настоящее время вопрос о том, при каких концентрациях химически токсичных веществ и каких дозовых нагрузках от ионизирующих излучений можно ожидать возникновение негативных эффектов на уровне природных популяций и экосистем является дискуссионным.

Восполнить пробел в знаниях о закономерностях ответной реакции организмов, популяций и экосистем на совместное радиоактивное и хи-

мическое воздействие можно лишь на основе анализа результатов планомерных исследований, направленных на поиск зависимости между уровнем загрязнения среды обитания и наблюдаемыми биологическими эффектами (Оценка риска..., 2012; Geras'kin et al., 2013). С этих позиций территория, загрязненная в результате производственной деятельности Кирово-Чепецкого химического комбината, представляет собой уникальный полигон для исследований по оценке длительного совместного действия факторов радиационной и химической природы на природные популяции растений, животных и экосистемы в целом.

Цель исследования. Оценить влияние химического и радиоактивного загрязнения почвенного покрова на растения с территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината.

Задачи исследования:

1. определить уровень радиоактивного и химического загрязнения почв и накопления поллютантов растениями вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината и выявить закономерности пространственного распределения загрязняющих веществ в почвенно-растительном покрове;

2. дать сравнительную количественную характеристику видового состава сообществ растений, произрастающих в зоне влияния КЧХК и на незагрязненных территориях;

3. выявить изменения репродуктивной способности доминирующих видов растений, вызванные радиационным и химическим загрязнением среды их обитания;

4. оценить наблюдаемые у отдельных видов и в сообществах растений, изменения, обеспечивающие устойчивое существование фитоценоза в условиях длительного антропогенного загрязнения.

Научная новизна. На основе комплексной оценки последствий соче-танного радиационного и химического загрязнения для природных наземных экосистем показано, что при увеличении загрязнения почвенного покрова в сообществах растений происходит не только снижение видового разнообразия и увеличение числа сорно-рудеральных видов, но и смена доминантов и содоминантов.

Определены коэффициенты накопления радионуклидов и металлов для доминирующих видов растений из природных ценопопуляций, заселяющих участки с повышенным содержанием этих элементов в почве.

Установлено, что виды-доминанты относятся к эксклудерам по классификации A.M. Бэйкера (Baker, Brooks, 1989).

Выявлено, что одной из причин доминирования некоторых видов (U. dioica, сем. Urticaceae) в сообществе является снижение репродуктивного потенциала при повышении качества проростков. У других видов (С. cetosum, сем. Asteraceae) наблюдается другая стратегия выживания - повышение репродуктивной способности при увеличении содержания поллютантов в почве сопровождается повышенным уровнем повреждения ДНК у проростков, что снижает их жизнеспособность и не дает этому виду занять лидирующее положение в сообществе.

Теоретическое и практическое значение. Полученные данные о биологических эффектах хронического совместного радиационного и химического воздействия на природные популяции растений представляют собой уникальную информацию и восполняют существующий пробел в знаниях о последствиях техногенеза для наземных экосистем.

Результаты работы обладают новизной, имеют теоретическое значение для развития концепции комплексной оценки риска последствий сочетанного радиационного и химического загрязнения для природных наземных экосистем. Впервые на примере промышленно-природной зоны

Кирово-Чепецкого химического комбината выполнена комплексная оценка состояния растительных сообществ и доказано, что с увеличением концентрации загрязняющих веществ в почве происходит снижение репродуктивного потенциала у чувствительных видов, а также повышение репродуктивной способности у устойчивых видов.

Результаты диссертационной работы могут явиться основой для принятия решений о необходимости природоохранных и реабилитационных мероприятий в зоне влияния крупнейшего в Европе химического предприятия - Кирово-Чепецкого химического комбината.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Латеральное распределение радионуклидов (137Cs, 90Sr, 238U) и тяжелых металлов (Cu, Zn, Ni, Cd, Hg) определяется геохимическими характеристиками почв. Уровень радиоактивного и химического загрязнения почвенно-растительного покрова промышленно-природной зоны Кирово-Чепецкого химического комбината зависит не только от концентраций веществ, но и от рельефа местности и содержания подвижных форм фосфора.

2. Urtica dioica в растительном сообществе исследуемой территории выступает доминантом. Отмечали повышение качества проростков этого вида при снижении репродуктивного потенциала. У Cirsium setosum при увеличении содержания поллютантов в почве на фоне повышения репродуктивной способности возрастает уровень повреждения ДНК (дезокси-рибонуклеиновой кислоты) и снижается жизнеспособность проростков. Filipéndula ulmaria оказалась наиболее устойчивым видом: радиоактивное и химическое загрязнение не оказало достоверного негативного влияния на качество семян.

3. При совместном действии факторов радиационной и химической природы происходит не только снижение видового разнообразия и увеличение числа сорно-рудеральных видов, но и смена доминантов и содо-минантов в сообществах растений вблизи КЧХК.

Личный вклад соискателя состоит в сборе и обобщении литературных данных по теме исследования; все этапы экспериментальной работы: участие в полевых исследованиях, отбор образцов природных сред, подготовка проб к химическому анализу, выполнение описания растительного покрова, проведение экспериментов; статистическая обработка и анализ данных, построение карт латерального загрязнения тяжелыми металлами и радионуклидами почв, подготовка основных публикаций по выполненной работе была проведена лично автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (г. Сыктывкар, 2011, 2012); Всероссийской конференции с международным участием «Экология и геологические изменения в окружающей среде северных регионов» (Архангельск, 2012); 16 Международной школе-конференции молодых ученых «Биология -наука XXI века» (Пущино, 2012); II Всероссийской молодежной научной конференции «Молодежь и наука на севере» (Сыктывкар, 2013); Международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013); IV международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (Томск, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе три статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 136 страницах, состоит из введения и четырех глав, списка литературы и одного приложения. В тексте приведено 14 таблиц и 16 рисунков. Список литературы включает 242 источника, их них 95 - на английском языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Проблемы оценки техногенного воздействия на окружающую природную среду

Рассмотрены основные методологии оценки риска химического и радиационного загрязнения окружающей среды. Проанализированы имеющиеся в научной литературе материалы и теоретические обобщения об эффектах действия поллютантов на растения на разных уровнях организации, включая клеточный, организменный, экосистемный.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Физико-географическая характеристика Кировской области. Область расположена на востоке Восточно-Европейской равнины в условиях континентального климата.

Характеристика районов проведения исследований. Исследования проводили на фоновом (заказник «Былина», пойма р. Юг), контрольном (пойма р. Вятки вне зоны влияния КЧХК), двух экспериментальных участках в пределах промышленно-природной зоны КЧХК, где в настоящее Время складируется более 12 млн. т отходов, в том числе 437 тыс. т радиоактивных (Изучение состояния..., 2009).

Методика картографических исследований и отбора проб почв и растений. Для изучения латеральной дифференциации загрязняющих веществ в почвенном покрове промышленно-природной зоны КЧХК отбирали пробы почв с глубины 0-20 см по координатной сети с шагом 200 м между опорными точками в пределах каждой экспериментальной площадки. В каждой опорной точке с площадки 1 м2 собирали вегетативную массу растений для расчета коэффициентов накопления и оценки дозо-вой нагрузки.

При составлении карт латерального распределения ТМ и РН в почве исследуемых участков использовали программу ArcView GIS-3.2.a. Применяли метод средневзвешенной интерполяции, используемый (Пе-рельман, Касимов, 1999) для построения детальных карт загрязнения почвенного покрова. Для исследования вертикального распределения радиоактивных и химически токсичных элементов заложено по одному почвенному профилю в пределах основной катены на контрольном и каждом из экспериментальных участков.

На контрольном и фоновом участках методом конверта с площадки 200x300 м собрали по пять образцов почв до глубины 20 см, в центре этой площадки скашивали вегетативную массу растений с площади размером 1x1 м.

С участка размером 20x20 м собирали семена с 50 растений (крапива двудомная (Urtica dioica L.), бодяк щетинистый (Cirsium setosum (Willd.) Bess), лабазник вязолистный (Filipéndula ulmaria (L.) Maxim) для проращивания в контролируемых лабораторных условиях с целью определения всхожести, энергии прорастания, выживаемости проростков, а также последующей оценки повреждений ДНК методом «ДНК-комет».

Методы оценки уровня загрязнения участков по результатам химических анализов. Оценка уровня техногенного загрязнения окружающей среды в районе КЧХК основывалась на определении эколого-геохи-мических показателей:

DC^Ef^f, (1)

ci

где С - показатель загрязнения почв химическими токсикантами (Genoto-xicity assay..., 2011), С. - концентрация i-ro элемента в почве экспериментального участка, мг/кг воздушно-сухого образца; С.. - концентрация t-ro элемента в почве фонового участка, мг/кг воздушно-сухого образца.

Категории суммарного загрязнения почв следующие (СанПиН 2.1.7.1287-03): допустимая - менее 16, умеренно опасная - 16-32, опасная - 32-128, чрезвычайно опасная - более 128.

2) Показатель (Zc) суммарного загрязнения почв (СанПиН 2.1.7.128703):

Zc = Ef=1(g)- (П- 1), (2)

где п - число включенных в расчет химических элементов, концентрации которых на загрязненных участках превышают региональные фоновые показатели.

3) Показатель (Zct) суммарного загрязнения почв (Водяницкий, 2008), учитывающий класс опасности химических веществ:

ZcT = ^=i(SXKT0" (П_1)> (3)

где Ктг - коэффициент токсичности i-ro элемента.

При оценке риска радиоактивного загрязнения участков ориентировались на существующие в Российской Федерации нормативные требования по обеспечению радиационной безопасности персонала и населения при всех видах обращения с радиоактивными отходами (Санитарные правила..., 2003), а также изложенные в «Концепции исключения» рекомендации МАГАТЭ (IAEA, 2004) по ограничению содержания радионуклидов естественного происхождения в твердых материалах.

Показатель радиоактивного загрязнения почв, сходный с показателем, загрязнения почв химическими токсикантами, был применен для оценки степени превышения содержания радионуклидов в почвах экспериментальных участков по сравнению с. контролем:

4)C=S"=if-, (4)

Г I,CJ

где С - показатель загрязнения почв радионуклидами (Genotoxicity assay.'., 2011), С. - концентрация /'-го радионуклида в почве экспериментального участка, Бк/кг воздушно-сухого образца; Ccj - концентрация /'го радионуклида в почве фонового участка, Бк/кг воздушно-сухого образца.

Для характеристики интенсивности миграции металлов и радионуклидов из почвенного покрова в растения использовали такой биогеохимический показатель как коэффициент накопления (КН). Если КН > 1, растение является аккумулятором исследуемого элемента; если КН < 1, вид не аккумулирует ТМ и РН в своем организме (Ивлев, 1986).

Методы определения концентраций химических веществ и удельной активности радионуклидов в почвах и растениях. Агрохимические характеристики почв и концентрации металлов (Pb, Zn, Cd, Си, Ni, Fe, Hg) в образцах почв и растений определяли в лаборатории «ЭКОАНАЛИТ»

Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии Коми НЦ УрО РАН (ИБ Коми НЦ УрО РАН), аккредитованной в Системе аккредитации аналитических лабораторий (аттестат аккредитации №РОСС RU.0001.511257, действительный до 2014 г.).

Содержание подвижных форм калия (К20) и фосфора (Р_05), концентрацию фторид-ионов (F") определяли фотометрически (ГОСТ 26207-91); общее содержание азота (N) и углерода (С) - методом газовой хроматографии (МКХА №88-17641-94-2009), гумуса - по методу Тюрина (ГОСТ 26213-91). Массовую долю Pb, Zn, Cd, Cu, Ni, Fe - атомно-эмиссионной спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой (ПНД Ф 16.1:2.3:3.lige), Hg - методом атомной абсорбции (ПНД Ф 16.1:2.23-2000).

Удельную активность радионуклидов (137Cs, 90Sr, 40К, 226Ra, 232Th) в образцах почв и растений определяли в лаборатории миграции радионуклидов и радиохимии ИБ Коми НЦ УрО РАН, аттестованной в системе аккредитации лабораторий радиационного контроля (аттестат аккредитации № САРК RU.0001.441623, действительный до 2014 г.), на гамма-бета спектрометрическом комплексе «Прогресс-БГ» (Методика..., 2002). Удельную активность урана определяли люминесцентным методом (Доб-ролюбская, 1962).

Методы оценки радиоактивного и химического загрязнения среды обитания в районе Кирово-Чепецкого химического комбината на растения. В работе исследовали три вида: Urtica dioica L., Cirsium setosum (Willd.) Bess и Filipéndula ulmaria (L.) Maxim. Использование в исследовании именно этих растений обусловлено их повсеместной встречаемостью, существованием в широком диапазоне экологических условий, высокой семенной продуктивностью и длительной продолжительностью жизни.

Геоботанические описания проводили на учетных площадках размером 10x10 м, определяя видовой состав сосудистых растений, а также проективное покрытие для каждого вида и всей площадки в целом. Для оценки видового разнообразия растительности на каждой учетной площадке рассчитывали индекс Шеннона (Shannon, Weaver, 1949; Лебедева и др., 2002).

Проращивание семян проводили в чашках Петри на влажном субстрате из прокаленного песка при температуре 22-25 "С в условиях подсветки {8000 люкс) в течение 10 ч. Для полива использовали дистиллированную воду, поскольку в покоящихся семенах содержится достаточное для прорастания количество питательных веществ (Ермакова, 1990). В каждую чашку Петри помещали по 100 семян, всего проанализировано 300 семян с каждой площадки. Продолжительность экспериментов составляла 21 день. Для характеристики жизнеспособности семян использовали показатели: «всхожесть семян», «энергия прорастания» и « выживаемость проростков ».

Уровень повреждений ДНК определяли в побегах крапивы и бодяка, собранных с трех площадок, различающихся уровнем загрязнения (сильно (Zct > 32), средне (Zct < 32), слабо загрязненный (Zct < 16)), а также с контрольного (Kl, К2) участка. Семена проращивали в лабораторных условиях в почве с этих площадок в течение трех месяцев. Повреждения ДНК в клетках проростков оценивали при помощи нейтрального варианта метода «ДНК-комет» в соответствии с методикой М. Менке (DNA damage..., 2001) с некоторыми модификациями.

Мощность взвешенной поглощенной дозы для надземной массы растений исследуемых участков рассчитывали с использованием программы ERICA Tool (The ERICA Tool, 2008).

Взаимосвязь уровня радиоактивного и химического загрязнения почвы и наблюдаемых биологических эффектов установлена на основе данных корреляционного и регрессионного анализа. Для проверки гипотез были использованы критерии непараметрической и параметрической статистики. Статистический анализ выполнен с использованием программного обеспечения ЭТАТЮТЮА 7.0 (Лицензия ИБ Коми НЦ УрО РАН).

Глава 3. Оценка радиоактивного и химического загрязнения почвенного покрова вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината

Выявление закономерностей миграции и пространственно-временного распределения радионуклидов в ландшафте является важнейшей задачей почвенно-экологического мониторинга (Щеглов, 1999).

Для исследования были выбраны четыре участка на аллювиально-дерновой почве, которые существенно различаются по уровню химического и радиоактивного загрязнения (табл. 1).

Фоновый участок расположен в сходном с исследуемой территорией геохимическом ландшафте гривистой поймы р. Юг в пределах заказника «Былина» Кировской обл. вне зоны антропогенного воздействия. Контрольный участок расположен в пойме р. Вятки в 40 км на северо-запад от КЧХК.

Содержание подвижных форм металлов в почвах фонового и контрольного участков не превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) (ориентировочно допустимую концентрацию (ОДК)) химических веществ в почве и допустимые уровни их содержания по показателям вредности (Гигиенические нормативы..., 2006; Гигиенические нормативы..., 2009), а удельные активности 137Сэ и ""Эг - уровень глобальных выпадений для северных широт (1ЖЗСЕА11, 1962). Удельная активность 238и в почвах фонового и контрольного участков составляет соответственно 11 и 1.6 Бк/кг. Эти значения ниже, чем среднее содержание радионуклида (24.6-36.9 Бк/кг) в почвах севера европейской части России (Распределение естественных..., 1994). Следовательно, контрольный участок может рассматриваться как неподверженный техногенному воздействию.

Два экспериментальных участка, различающиеся уровнем радиоактивного и химического загрязнения, расположены в пойме р. Вятки в промышленно-природной зоне КЧХК. Исследования показали, что в боль-

Таблица 1

Содержание металлов и радионуклидов в почвах промышленно-природной зоны КЧХК и контрольных участков

Определяемый Среднее значение и ошибка среднего значения металлов (радионуклидов), мг/кг (Бк/кг)

показатель Фон Контроль Участок 1 Участок 2

Нд 0.04 ± 0.01 0.02 ± 0.01 0.42 ± 0.1 1.34 ± 0.25

Си 1.5 ±0.3 0.7 ±0.1 0.8 ± 0.2 1.1 ±0.2

N1 3.6 ±1.1 2.5 ± 0.9 4.7 ±1.6 4.6 ± 1.5

РЬ 2.5 ±0.7 4.1 ±1.0 2.6 ±0.8 9.1 ±1.8

гп 4.5 ± 1.0 <2.9 3.9 ± 1.5 10.6 ±2.0

са <0.07 0.1 ± 0.05 0.2 ±0.1 0.36 ±0.21

,37Сэ 4.1 ±1.2 3.6 ± 0.7 197 ±26 987 ± 115

ао8г 8.2 ±2.3 7.1 ±0.9 64 ± 19 81 ±23

вмадгшу I уронншморя.

шинстве проб содержание 137Сз в 1.5-300 раз, а 908г в 1.5-50 раз превосходит соответствующие контрольные значения и уровни глобальных выпадений в северном полушарии (ХШвСЕАН, 1962; Радиационно-гигиени-ческая..., 2000).

При изучении загрязнения почв ТМ вблизи КЧХК (№, РЬ, Hg, С(1, Си) было установлено, что их концентрации в образцах с этих участков выше соответствующих фоновых и контрольных значений. Половина площади первого экспериментального участка и 68% площади второго участка в пойме р. Вятки загрязнены N1 (рис. 1). Загрязнение РЬ и носит локальный характер и чаще выявляется на втором участке.

В целом прослеживается распространение загрязнения в направлении поймы р. Вятки. Поэтому, пользуясь принятыми в Российской Федерации нормативными показателями, мы оценили опасность радиоактивного и химического загрязнения почв экспериментальных участков.

Средний уровень загрязнения почв (рис. 2) первого экспериментального участка нерадиоактивными металлами характеризуется как допустимый на основе показателя суммарного загрязнения почв (2с = 12). Однако сходный показатель, учитывающий класс токсичности металлов, свидетельствует об умеренно опасном загрязнении этих же почв неради-: / „у (мш£г / оактивными металлами (йст =

18). Загрязнение почв второго экспериментального участка оценивается как опасное по обоим показателям (7.с = 40; гст = 62).

По уровню радиоактивного загрязнения почвы экспериментальных участков не относятся к категории радиоактивных отходов по российским нормативам. В то же время в соответствии с рекомендациями МАГАТЭ к радиоактивно загрязненным материалам на первом экспериментальном участке следует отнести 30% проб почв, на втором - 92%.

На основе результатов дис-криминантного анализа показано, что на значение дискри-минантной функции (Ь) влияют два фактора: содержание подвижных форм фосфора (СР) и высота над уровнем моря (Ь). На основе рассчитанных значений Б с удовлетворительной точностью (82%) прогнозировали степень загрязнения почв металлами, относящимися к первому классу опасности (РЬ, Сс1, %п): Б = 27.87 + 0.032-[СР] -0.263-Щ.

Рис. 1. Карта-схема латерального распределения содержания N1 в 0-20 см слое почв картируемых экспериментальных участков.

-ижшишт шсотиед

С1]<25

5-50

Рис. 2. Карта-схема интегрального загрязнения в 0-20 см слое почвы вблизи КЧХК, составленная на основе экологического показателя

Таким образом, проведенный анализ уровня химического и радиоактивного загрязнения почв участков вблизи КЧХК позволяет сделать следующие выводы: 1) почвы первого экспериментального участка, расположенного вблизи хранилищ низкоактивных отходов, не являются радиоактивными отходами в соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами. Экологический риск поверхностного загрязнения металлами почв этого участка оценивается как умеренно опасный; 2) второй участок общей площадью 500 м2 не относится к радиоактивным отходам по российским нормативам, однако, с учетом международных критериев, 92% проб почв данного участка относятся к категории радиоактивных отходов. Экологический риск химического загрязнения данного экспериментального участка характеризуется как высокий.

Глава 4. Оценка состояния природных популяций растений вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината

4.1. Расчет дозовых нагрузок на надземные фитоценозы. Мощность взвешенной поглощенной дозы, рассчитанная с учетом содержания 137Cs, 0OSr, 226Ra, 232Th, 238U в почве и надземной массе растений крапивы двудомной и бодяка щетинистого, находится в пределах 0.08-0.72 мкГр/ч, что намного ниже значений, предложенных в качестве безопасных (А multi-criteria..., 2010).

4.2. Оценка видового разнообразия сообществ сосудистых растений исследуемых участков. При составлении геоботанических описаний площадок на исследуемой территории отмечено 58 видов сосудистых растений, принадлежащих к 16 семействам. Наиболее богаты представителями семейства Asteraceae (12 видов, 10 родов), Роасеае (9 видов, 6 родов), Rosaceae и Fabaceae (6 видов, 3 рода), остальные семейства представлены 1-4 видами. На контрольных площадках зарегистрирован 51 вид сосудистых растений, на экспериментальных участках - 49. Преобладающей жизненной формой луговых сообществ как экспериментальных, так и контрольных участков являются многолетние травы. Отмечается также внедрение кустарниковых форм родов Rosa L. и Salix L. в растительный покров как экспериментальных, так и контрольных участков.

Для анализа структуры доминирования на исследуемых участках были определены ведущие виды, в числе которых лабазник вязолистный (Filipéndula ulmaria (L.) Maxim.) и крапива двудомная (Urtica dioica L.). По мере увеличения загрязнения доля крапивы в проективном покрытии пробной площадки возрастает с 10% на фоновом участке до 45% на экспериментальных участках. Одновременно происходит смена еодоми-нантов: пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.), подмаренник мягкий (Galium mollugo L.) в градиенте загрязнения сменяются на василистник малый (Thalictrum minor L.) и лабазник вязолистный (Filipéndula ulmaria (L.) Maxim.).

Расчет индекса относительного обилия видов подтвердил статистически значимое (р < 0.005) снижение видового разнообразия учетных площадок вблизи территории КЧХК (рис. 3).

Корреляционный анализ показал, что видовое разнообразие исследованных площадок статистически значимо (р < 0.001) снижается при повышении в почве содержания F" (-0.78) и Pb2+ (-0.64).

На территории вблизи КЧХК в условиях повышенного содержания ТМ и РН наблюдается снижение видового разнообразия сосудистых растений. Следовательно, даже в условиях незначительного превышения ПДК

а 3

а к

го

3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 О

т * I * т

- ¡Ijfljjf щш ШШШ: ¡llillljl ¡¡¡¡¡¡¡и

контроль слабо загрязненный средне сильно

загрязненный загрязненный

Рис. 3. Среднее значение индекса Шеннона для участков с контрастным уровнем загрязнения и контроля; р < 0.005.

токсичных элементов в почве мы наблюдаем изменения в сообществах растений этих участков. Первыми элиминируются наиболее чувствительные виды. В результате на площадках вблизи КЧХК максимальное проективное покрытие имеют сорно-рудеральные виды, предпочитающие расти в условиях избытка питательных веществ, часто сопровождающегося повышением содержания токсикантов в почвах.

4.3. Оценка репродуктивной способности растений из природных популяций. В ходе предварительных экспериментов нами были показано, что такие показатели репродуктивной способности растений как «всхожесть», «энергия прорастания» и «выживаемость проростков» следует определять на 7, 10 и 21 день от начала эксперимента для крапивы двудомной и 10, 14 и 21 день для бодяка щетинистого и лабазника вязоли-стного.

4.3.1. Оценка репродуктивной способности крапивы двудомной. Эксперименты по изучению репродуктивной способности крапивы двудомной с территории вблизи КЧХК показали, что всхожесть семян собранных со всех площадок на втором экспериментальном участке, расположенном в гривистой пойме р. Вятки, достоверно ниже контрольного уровня (табл. 2).

Таблица 2

Показатели репродуктивной способности крапивы двудомной, произрастающей на участках с разным уровнем загрязнения

Участок Всхожесть, % Энергия прорастания, % Выживаемость, % ст Сг

К 69±8 42+11 78±6 1 1

1.7 50+10 48±15 53±6 10 9

1.9 55±9 70±2 65±2 16 22

1.15 41±12 49±9 24±3 4 4

1.16 48+12 63±10 56±4 6 8

1.18 34±10 66+2 26±4 25 29

2.3 40±7* 45±5* 44±4* 60 64

2.5 20±10* 43±7* 47±10* 215 171

2.7 28±9* 48±5* 25±4* 236 525

2.13 23±9* 56±6* 64±4* 373 412

* Отличия от контроля достоверны при р < 0.05.

С - показатель загрязнения почв химическими токсикантами (см.формулу 1, глава ¿).

Изучали зависимость репродуктивной способности растений от химического состава почвы и концентраций в ней поллютантов. Оказалось, что всхожесть семян крапивы двудомной достоверно связана с общим уровнем радиоактивного (г = -0.66, р < 0.01) и химического (г = -0.77, р < 0.01) загрязнения почв, на которых расположены экспериментальные ценопопуляции крапивы.

Проверка пригодности различных регрессионных моделей показывает, что для описания зависимости (р < 0.001) между всхожестью семян крапивы и уровнем радиоактивного (II2 = 0.75) и химического (II2 = 0.80) загрязнения среды обитания лучше подходит экспоненциальная функция (рис. 4), имеющая более высокий коэффициент детерминации, чем линейная модель (II2 = 0.596, р < 0.01) при том же числе степеней свободы. Достоверной зависимости всхожести семян крапивы двудомной от остальных проанализированных факторов не обнаружено.

Рис. 4. Зависимость всхожести семян крапивы двудомной от суммарного показателя уровня химического (А) и радиоактивного (Б) загрязнения почв. По оси абсцисс -значение всхожести семян крапивы, %; по оси ординат - суммарный показатель уровня химического Ст (А) и радиоактивного Сг (Б) загрязнения почв.

4.3.2. Оценка репродуктивной способности бодяка щетинистого. Результаты изучения репродуктивной способности растений бодяка с площадок, различающихся уровнем радиоактивного и химического загрязнения, показывают, что семена растений из контрольной ценопопуляции и с менее загрязненного экспериментального участка (№ 1.7-1.18), находящегося в пойме р. Вятки, имеют более низкую всхожесть, чем собранные с участка с повышенным содержанием радионуклидов и металлов (табл. 3).

Регрессионный анализ подтверждает наличие достоверной и высокой связи между показателями репродуктивной способности бодяка и уровнем радиоактивного и химического загрязнения почв, так и с содержанием фосфатов в почве.

Причем линейная модель наилучшим образом аппроксимирует экспериментальные данные, свидетельствующие о повышении всхожести (И2 = 0.87, р < 0.01), энергии прорастания (И2 = 0.92, р < 0.001) и выживаемости проростков (II2 = 0.95, р < 0.001) бодяка при увеличении общего уровня радиоактивного и химического загрязнения и содержания подвижных форм фосфора (рис. 5). По-видимому, повышенное содержание фосфатов способствует формированию качественных семян и одновременно снижает токсичность металлов для растения. Достоверной зависимости всхожести семян бодяка щетинистого от остальных проанализированных факторов не обнаружено.

Таблица 3

Показатели репродуктивной способности бодяка щетинистого, произрастающего на участках с разным уровнем загрязнения

Участок Всхожесть, % Энергия прорастания, % Выживаемость, % Ст с,

К 10±1 15±4 11 ±2 1 1

1.7 6±1** 10+7** 9±4* 10 9

1.14 5±1** 7±2** 7±1* 4 2

1.18 16±8** 21 ±5* 26±1" 25 29

2.3 39+5** 45+4** 40±6** 60 64

2.12 43±4* 57±2** 55+3** 373 412

* Отличия от контроля достоверны при р < 0.005; ** - р < 0.05.

Рис. 5. Зависимость всхожести семян бодяка щетинистого от суммарного показателя уровня химического загрязнения почв (А) и от содержания подвижных фосфатов в почве (Б). По оси абсцисс - значение всхожести семян бодяка, %; по оси ординат -суммарный показатель уровня химического загрязнения почв (Ст) или содержание подвижных фосфатов в почве, %.

4.3.3. Оценка репродуктивной способности лабазника вязолистного. Самой низкой репродуктивной способностью, как это ни парадоксально, характеризуются растения лабазника с контрольного участка. На всех экспериментальных площадках, независимо от уровня их загрязнения

Таблица 4

Показатели репродуктивной способности лабазника вязолистного, произрастающего на участках с разным уровнем загрязнения

Участок Всхожесть, % Энергия прорастания, % Выживаемость, % Ст С,

К 5+1 6±2 7±2 1 1

1.7 12+4* 18±1* 26±2* 10 9

1.14 21+1* 24±3* 23+1* 4 2

1.15 9+1* 10±2* 14±2* 4 4

1.18 17+3* 24±4* 31 ±4* 25 29

2.3 16+3* 17±5* 19+4* 60 64

2.8 33±3** 38±6** 41 ±5** 95 89

2.12 16±1* 17±2* 19±3* 373 412

2.13 13±1* 22±4* 35±1* 373 412

Отличия от контроля достоверны при * р < 0.05; ** р < 0.001.

радионуклидами и нерадиоактивными токсичными металлами, всхожесть, энергия прорастания семян и выживаемость проростков выше контрольных значений (табл. 4). Причем растения с обоих изученных экспериментальных участков не отличаются между собой по репродуктивной способности.

В отличие от других изученных видов растений, репродуктивная способность лабазника не зависит от уровней радиоактивного и химического загрязнения и связана достоверно только с содержанием органических веществ в почвах (R2= 0.88, р < 0.0001). Чем более богаты почвы органическим веществом, тем более качественные семена формируются у лабазника.

Всхожесть, энергия прорастания семян, выживаемость проростков лабазника находятся в тесной корреляционной связи (г = 0.90, р < 0.01), и линейно возрастает при увеличении содержания в почве органических веществ (рис. 6). Достоверной зависимости всхожести семян лабазника вязолистного от остальных проанализированных факторов не обнаружено.

Таким образом, следует обратить внимание, что в процессе изучения репродуктивной способности растений с одних и тех же участков про-мышленно-природной зоны КЧХК мы наблюдали разные стратегии адаптации этих организмов к условиям длительно существующего радиоактивного и химического загрязнения.

4.4. Оценка миграционной способности радионуклидов и нерадиоактивных химически токсичных элементов в системе «почва-растения». Первым звеном трофических цепочек, накапливающим токсичные вещества непосредственно из почвы, являются растения. Именно поэтому изучение структуры элементного состава растительного покрова является первым шагом в оценке риска загрязнения среды обитания человека (Черных, Сидоренко, 2003) и важнейшим этапом при характеристике последствий техногенного влияния на природные экосистемы (IAEA, 1992; Framework..., 2004).

Для проведения исследования было выбрано восемь видов сосудистых растений, широко распространенных в градиенте химического загрязнения: представители семейства мятликовых (Elytrigia repens), осоковых (Carex rostrata), крапивных (Urtica dioica L.), хвощевых (Equisetum limosum L.), норичниковых (Veronica longifolia L.), розоцветных (Rosa acicularis Lindl, и Filipéndula ulmaria (L.) Maxim.), астровых (Centaurea scabiosa L). Провели сравнительную оценку миграционной способности радиологически значимых радионуклидов и нерадиоактивных токсичных металлов в системе «почва-растения» на экспериментальных и контрольных участках и выявили растения-аккумуляторы загрязняющих веществ.

Растения из ценопопуляции вблизи КЧХК преимущественно накапливают жизненно важные микроэлементы Cu (КН = 19 ± 5) и Zn (КН =

35 ; 30 -|

, 25 20

15 10

» »

0 5 10 15 20

Содержание гумуса в почве, %

Рис. 6. Зависимость всхожести семян лабазника вязолистного от содержания в почве органических веществ.

14.0 ± 0.3). Наиболее подвижным в системе почва-растение из токсичных тяжелых металлов является Сс) (КН = 1.7 ± 0.2). Выбранные нами для оценки биологических эффектов крапива и лабазник не являются аккумуляторами ТМ и РН.

4.5. Оценка уровня повреждения ДНК растений, произрастающих вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината. Достоверное (р < 0.0001) увеличение уровня повреждений ДНК наблюдали в клетках проростков крапивы двудомной с площадок с низким содержанием РН и ТМ (№ 1.7) по сравнению с проростками семян с контрольных участков (К1, К2). При увеличении уровня химического и радиоактивного загрязнения почвенного покрова (участки № 2.12, 2.13) в клетках проростков крапивы достоверного повышения уровня двойных разрывов ДНК по сравнению с контролем не отмечали.

Повышение уровня повреждения ДНК отмечали в клетках проростков бодяка щетинистого (р < 0.05) с площадок с допустимым (№ 1.7, гст = 4) и высоким (№ 2.13, гст = 163) уровнем загрязнения по сравнению с проростками семян с контрольных (К1, К2) участков (рис. 7).

Рис. 7. Изменение уровня повреждений ДНК в проростках крапивы двудомной (А) и бодяка щетинистого (Б), произрастающих на участках с разным уровнем загрязнения. По оси абсцисс - участки: К1 и К2 (гст=0.01), № 1.7(2ст< 16), № 2.12 (Лет = 32), №2.13 (гст > 64); по оси ординат - средний % повреждения ДНК в «хвосте кометы»; р < 0.05.

Таким образом, повышенный уровень повреждений ДНК отмечали только на участках с низким уровнем загрязнения, где наблюдалось лишь незначительное снижение всхожести семян крапивы двудомной. Можно предположить, что на участках с высоким уровнем загрязнения элиминация повреждений, вызываемых действием ТМ и РН, происходит на ранних стадиях онтогенеза. Это подтверждается низкой всхожестью семян крапивы на участках со средним и высоким уровнем загрязнения при одновременно высоком проективном покрытии для данного вида на экспериментальных участках.

Увеличение уровня повреждений ДНК у бодяка щетинистого может приводить к элиминации молодых растений на участках с повышенным уровнем загрязнения, что не позволяет этому виду занять доминирующее положение в исследованных сообществах растений.

ВЫВОДЫ

1. Выявлено, что почвы поймы р. Вятки вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината загрязнены Си, Ш, РЬ, Щ, 137Св, 908г. Отмечено превышение ПДК подвижных форм Щ, РЬ и N1 на значительной части исследуемых участков. Удельные активности 137Сэ и в08г в два и более

раз превышают показатели для фоновых участков. Установлено распространение радиоактивного и химического загрязнения от Кирово-Чепец-кого химического комбината в сторону поймы р. Вятки.

2. Видовое разнообразие сосудистых растений вблизи Кирово-Чепец-кого химического комбината снижается с увеличением градиента загрязнения. Величина индекса Шеннона на исследуемой территории изменяется с 2.25 до 1.85, для контрольных участков составляет 2.84. На видовое разнообразие участков наибольшее влияние оказывает содержание в почве Г и РЬ2+.

3. Установлено, что репродуктивная способность крапивы двудомной с загрязненной территории достоверно ниже контрольного уровня. Всхожесть семян экспоненциально зависит от содержания радионуклидов и тяжелых металлов в почве. Высокое содержание фосфатов в почве снижает негативное влияние радионуклидов и тяжелых металлов, улучшая качество семян бодяка щетинистого на загрязненных участках. Жизнеспособность лабазника вязолистного с контрольного участка ниже, чем с экспериментальных, и возрастает линейно с повышением содержания органических веществ в почве.

4. Выявлено, что концентрации тяжелых металлов Си и 7,п, являющихся жизненно важными микроэлементами для растений, в надземной массе достигают 12.5 и 68.5 мг/кг соответственно. Из токсичных тяжелых металлов наиболее подвижным в системе почва-растение является Сс1. Доминирующие виды растений накапливают тяжелые металлы и радионуклиды в незначительных концентрациях по сравнению с видами, занимающими подчиненное положение в сообществах вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината.

5. В целом, радиоактивное и химическое загрязнение почв вызывает изменения в сообществах растений, что проявляется в повышении репродуктивной способности у одних видов и снижении - у других. Соотношение разных стратегий выживания растений при хроническом техногенном воздействии приводит к снижению биологического разнообразия, увеличению числа сорно-рудеральных видов и смене доминантов и содоминантов в сообществах растений.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Евсеева Т.И., Белых Е.С., Майстренко Т.А., Гераськин С.А., Тас-каев А.И., Вахрушева О.М. Латеральное распределение радионуклидов уранового и ториевого рядов в антропогенно-изменных почвах участка складирования отходов радиевого производства // Радиационная биология. Радиоэкология. 2011. - Т. 51. № 6. - С. 1-10.

2. Евсеева Т.И., Гераськин С.А., Белых Е.С., Майстренко Т.А., Вахрушева О.М. Оценка риска радиационного воздействия для референтных видов растений (сосны обыкновенной и горошка мышиного) с территории складирования отходов радиевого производства // Радиационная биология. Радиоэкология. 2012. - Т. 52. №2. - С. 187-197.

3. Майстренко Т.А., Белых Е.С., Трапезников A.B., Зайнуллин В.Г., Вахрушева О.М. Оценка экологического риска радиационного воздействия для природных экосистем, загрязненных в результате аварии на чернобыльской АЭС // Известия Коми НЦ. 2013. - № 3. - С. 41-47.

В прочих изданиях:

1. Вахрушева О.М. Методологии оценки риска радиационного воздействия на окружающую среду // Актуальные проблемы биологии и экологии: Матер, докл. XVII Всерос. молодеж. науч. конф. (Сыктывкар, 6-8 апреля 2011 г.). - Сыктывкар, 2011. - С. 215-217.

2. Вахрушева О.М. Латеральное распределение тяжелых металлов в почвах вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината // Актуальные проблемы биологии и экологии: Матер, докл. XVIII Всерос. молодеж. науч. конф. (Сыктывкар, 2-6 апреля 2012 г.). - Сыктывкар, 2012. -С. 187-189.

3. Вахрушева О.М., Канева A.B. Латеральное распределение тяжелых металлов и радионуклидов в почвах поймы р. Вятка вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината // Экология и геологические изменения в окружающей среде северных регионов: Матер, докл. Всерос. конф. с международ, уч. (Архангельск, 24-28 сентября 2012 г.). - Архангельск, 2012. - С. 40-44.

4. Вахрушева О.М., Белых Е.С. Латеральное распределение 137Cs и goSr в почвах вблизи хранилищ радиоактивных отходов на территории Кирово-Чепецкого химического комбината // Биология - Наука XXI: тезисы докл. 16-ой международ, пущинской школы-конф. молодых ученых (Пущино, 16-21 апреля 2012 г.). - Пущино, 2012. - С. 300-301.

5. Белых Е.С., Вахрушева О.М., Канева A.B. Оценка риска радиационного воздействия для природных популяций сосны обыкновенной и горошка мышиного с территории складирования отходов радиевого производства // Биология - наука XXI: тезисы докл. 16-й международ, пущинской школы-конф. молодых ученых (Пущино, 16-21 апреля 2012 г.). -Пущино, 2012. - С. 297.

6. Вахрушева О.М. Оценка химического загрязнения почв промыш-ленно-природной зоны Кирово-Чепецкого комбината // Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред: тезисы докл. международ. конф. (Москва, 4-6 февраля 2013 г.). - Москва, 2013. - С. 32.

7. Вахрушева О.М. Оценка репродуктивной способности крапивы двудомной с территории Кирово-Чепецкого химического комбината // Молодежь и наука на Севере: Матер, докл. II Всерос. (XVII) молодеж. науч. конф. Т.1. Биологические науки (XX Всерос. молодеж. научн. конф. «Актуальные проблемы биологии и экологии»; Сыктывкар, 2-6 апреля 2013 г.). - Сыктывкар, 2013. - С. 19-20.

8. Белых Е.С., Майстренко Т.А., Груздев Б.И., Вахрушева О.М., Канева A.B., Зайнуллин В.Г. Биологическое разнообразие растительных сообществ на антропогенно загрязненных тяжелыми естественными радионуклидами территориях // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: матер. IV Межд.конф. (Томск, 4-8 июня 2013 г.). - Томск, 2012. - С. 87-91.

Лицензия № 19-32 от 26.11.96 г. КР 0033 от 03.03.97 г.

Тираж 100 Заказ 22(13)

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 28

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Вахрушева, Олеся Михайловна, Сыктывкар

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Уральское отделение Коми научный центр Институт биологии

04201450752 На правах рукописи

Вахрушева Олеся Михайловна

ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ВБЛИЗИ КИРОВО-ЧЕПЕЦКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА НА РАСТЕНИЯ

03.02.08 — экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент Т.И. Евсеева

Сыктывкар 2013

Оглавление

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................... 5

Глава I. ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ ПРИРОДНУЮ СРЕДУ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)................................. 13

1.1. Анализ современных подходов к оценке состояния окружающей среды при химическом и радиоактивном 13 загрязнении.................................................................

1.2. Влияние радиоактивного и химического загрязнения на функции почв. Методы почвенно-экологического мониторинга......................................... 19

1.3. Растения как биоиндикаторы радиоактивного и химического загрязнения почвенного покрова. Биологические эффекты в природных популяциях растений при радиоактивном и химическом загрязнении окружающей среды........................................................................ 27

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

36

2.1. Физико-географическая характеристика Киров- « 36

скои области..............................................................

2.2 Характеристика районов проведения исследований........................................................................... 38

2.3. Методика картографических исследований и отбора проб почв и растений......................................... 45

2.4. Методы оценки уровня загрязнения участков по результатам химических анализов................................. 47

2.5. Методы определения концентраций химических

веществ и удельной активности радионуклидов в почвах и растений................................................................ 50

2.6. Методы оценки радиоактивного и химического загрязнения среды обитания в районе Кирово-Чепецкого химического комбината на растения.............................. 51

2.7. Методы статистического анализа данных............ 55

Глава III. ОЦЕНКА РАДИОАКТИВНОГО И ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ВБЛИЗИ КИРОВО-ЧЕПЕЦКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА............................................................ 57

Глава IV. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ РАСТЕНИЙ ВБЛИЗИ КИРОВО-ЧЕПЕЦКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА............. 72

4.1. Расчет дозовых нагрузок на надземные фитоце-нозы........................................................................... 72

4.2. Оценка видового разнообразия сообществ сосудистых растений исследуемых участков......................... 75

4.3. Оценка репродуктивной способности растений из природных популяций................................................ 80

4.4. Оценка миграционной способности радионуклидов и нерадиоактивных химически токсичных элементов

в системе «почва-растения»........................................................................94

4.5. Оценка уровня повреждений ДНК растений, произрастающих вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината.................................................................. 101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................... 105

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................109

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................111

Приложение ..............................................................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Одной из глобальных проблем цивилизации является необходимость рационального использования природных ресурсов и сохранение оптимальных условий жизнедеятельности на нашей планете, которые зависят от состояния всех компонентов природных экосистем, их способности выполнять свои функции в биосфере.

Масштабы современного загрязнения окружающей среды не ограничиваются опасностью только для здоровья человека, как самого чувствительного звена биосферы. Антропогенное воздействие часто имеет разрушительные последствия для природы и ведет к структурно-функциональной разбаланси-ровке и деградации экосистем в целом (Protection ..., 2003; Безель, 2006; Алексахин, Пристер, 2008; Kertesz, 2009).

Изменения состояния и функций экосистем, обусловленные деятельностью человека, привели в XXI веке к необходимости разработки единой системы защиты живой природы от техногенных воздействий, в том числе радиационных и химических (Структурно-функциональная ..., 2003; Protection ..., 2003; Алексахин, Фесенко, 2004; Безель, 2006). Единство идеологии этих концепций выражается в стремлении рассматривать целостность экосистем как основание для нормативных моделей и как необходимое условие дальнейшего развития человеческой цивилизации.

Одним из основных источников поступления в окружающую среду мутагенных и токсичных веществ является химическая промышленность. Киро-во-Чепецкий химический комбинат (КЧХК) создан в 1938 г. как объект военно-промышленного комплекса. С 1949 по 1990 гг. химкомбинат обеспечивал ядерную индустрию России. Причем деятельность химкомбината по производству тетра- и гексафторидов урана до 1992 г. велась с нарушениями требований экологической безопасности и привела к радиоактивному загрязнению прилегающей территории (Мусихина, Клиндухова, Чепурных, 2009). В

настоящее время КЧХК объединяет два крупных предприятия ООО «Завод минеральных удобрений» (ЗМУ) и ООО «Завод полимеров» (ЗП). На ЗМУ производят аммиак, а на его основе азотную кислоту, аммиачную селитру и сложные удобрения (Особенности урбоэкосистем ..., 2012).

В результате прошлой и нынешней деятельности КЧХК, связанной с производством и хранением радиоактивных и химических веществ, ландшафты водосборного бассейна р. Вятки, имеющей значимое народнохозяйственное значение, были загрязнены радионуклидами (РН), тяжелыми металлами (ТМ) и технологическими отходами производства аммиака, аммиачной селитры, азотной кислоты, фтористого водорода, хлора и гидроксида натрия.

С 2008 г. в рамках федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года» исследуется уровень радиоактивного и химического загрязнения донных отложений р. Елховки и почв отдельных участков вдоль ее русла, которая представляет собой коллектор объединенных сточных вод КЧХК (Загрязнение природных ..., 2006).

Но знаний о миграционной способности и пространственно-временном распределении загрязняющих веществ в почвах явно недостаточно для характеристики изменений, которые происходят в техногенно нарушенных экосистемах, и обоснования необходимости проведения реабилитационных мероприятий.

Радионуклиды, как и нерадиоактивные химически токсичные элементы, включаются в биологический круговорот (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Тяжелые естественные..., 1990). Установлено, что их соединения в повышенных концентрациях оказывают мутагенное и токсическое воздействие на организм животных и растений (Brunst, 1965; Левина, 1972; Алексахин, Книжников, Таскаев, 1986; Whicker, 1997; Genotoxic effects ..., 1998; Krivolutzkii, Martushov, Ryabtsev, 1999; Effects on non-human ..., 2007; Ge-

ras'kin, Fesenko, Alexakhin, 2008; Bal, Protas, Kasprzak, 2011), а при совместном воздействии этих факторов на биологические объекты возможно возникновение синергических эффектов (The combined ..., 1996, Cytogenetic effects ..., 2005; Zhang, Xiao, 1998; Малые дозы..., 1999; Евсеева, Гераськин, 2001).

Именно поэтому радиоактивное и химическое загрязнения рассматривают как факторы деградации почвы, приводящие к снижению ее плодородия и нарушению экологических функций этого важнейшего звена биосферы (Структурно-функциональная..., 2003; Оценка современной ..., 2008; Алек-сахин, 2009). В свою очередь, ухудшение свойств почв как среды обитания может повлечь за собой коренные изменения структуры природных популяций растений и животных, их генофонда.

Однако в настоящее время вопрос о том, при каких концентрациях химически токсичных веществ и каких дозовых нагрузках от ионизирующих излучений можно ожидать возникновение негативных эффектов на уровне природных популяций и экосистем является дискуссионным.

Это связано во многом (Алексахин, Пристер, 2008) как с недостатком данных об эффектах хронического воздействия факторов радиационной и нерадиационной природы на природные сообщества растений и животных, так и с отсутствием единых, признанных на международном уровне, экологических нормативов и рекомендаций в каких случаях и на каком основании необходимо проводить защитные мероприятия с целью снижения радиационного и химического воздействия на живую природу (исключая человека).

Проблема еще более усложняется при анализе ситуаций совместного присутствия в окружающей среде радиоактивных и химически токсичных веществ. Существуют лишь немногочисленные данные (Evseeva, Geras'kin, Shuktomova, 2003; Phytotoxicity and genotoxicity ..., 2009; Genotoxicity assay ..., 2011) о вкладе радионуклидов и нерадиоактивных химических элементов, содержащихся в водах, донных отложениях и почвах из мест захоронения

радиоактивных отходов в формирование биологических эффектов у лабораторных тест-организмов.

Восполнить пробел в наших знаниях о закономерностях ответной реакции организмов, популяций и экосистем на совместное радиоактивное и химическое воздействие можно (Оценка риска..., 2012; Geras'kin, Evseeva, Ou-dalova, 2013) лишь на основе анализа результатов планомерных исследований, направленных на поиск зависимости между уровнем загрязнения среды обитания и наблюдаемыми биологическими эффектами.

С этих позиций территория, загрязненная в результате производственной деятельности Кирово-Чепецкого химического комбината, представляет собой уникальный полигон для развертывания исследований по оценке длительного совместного действия факторов радиационной и химической природы на природные популяции растений, животных и экосистемы в целом. Очевидно, что проведение этих исследований важно не только с практической точки зрения, но и необходимо для ясного понимания следствий тех процессов, которые происходят в биосфере в условиях увеличивающегося техногенного воздействия.

Цель диссертационной работы - оценить влияние химического и радиоактивного загрязнения почвенного покрова на растения с территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) определить уровень радиоактивного и химического загрязнения почв и накопления поллютантов растениями вблизи КЧХК и выявить закономерности пространственного распределения загрязняющих веществ в почвенно-растительном покрове;

2) дать сравнительную количественную характеристику видового состава сообществ растений, произрастающих в зоне влияния КЧХК и на незагрязненных территориях;

3) выявить изменения репродуктивной способности доминирующих видов растений, вызванные радиационным и химическим загрязнением среды их обитания;

4) оценить наблюдаемые у отдельных видов и в сообществах растений, изменения, обеспечивающие устойчивое существование фитоценоза в условиях длительного антропогенного загрязнения.

Научная новизна

Впервые на основе комплексной оценки последствий сочетанного радиационного и химического загрязнения для природных наземных экосистем показано, что при увеличении загрязнения почвенного покрова в сообществах растений происходит не только снижение видового разнообразия и увеличение числа сорно-рудеральных видов, но и смена доминантов и содоми-нантов.

Определены коэффициенты накопления радионуклидов и металлов для доминирующих видов растений из природных ценопопуляций, заселяющих участки с повышенным содержанием этих элементов в почве.

Установлено, что виды - доминанты относятся к эксклудерам по классификации A.M. Бэйкера (Baker, Brooks, 1989).

Выявлено, что концентрации тяжелых металлов Си и Zn, являющихся жизненно важными микроэлементами для растений, достигают 12.5 мг/кг и 68.5 мг/кг соответственно. Из токсичных тяжелых металлов наиболее подвижным в системе почва-растение является Cd (1 мг/кг). Несмотря на превышение ПДК в большинстве образцов почв Ni накапливается только в листьях шиповника и надземной массе василька фригийского. В отличие от других распространенных на изученной территории растений листья шипов-

137

ника являются также аккумулятором Hg и Cs.

Выявлено, что одной из причин доминирования некоторых видов (Urtica dioica) в сообществе является снижение репродуктивного потенциала при повышении качества проростков. У Cirsium cetosum наблюдается другая

стратегия выживания: повышение репродуктивной способности при увеличении содержания поллютантов в почве сопровождается повышенным уровнем повреждения ДНК у проростков, что снижает жизнеспособность этого вида и не дает ему занять лидирующее положение в сообществе.

Определены закономерности латерального распределения радиологиче-ски значимых радионуклидов (137Сз, 908г) и нерадиоактивных химически токсичных металлов (Си, Ъл, N1, Сё, Н§) в почвах поймы р. Вятки. Установлено, что удельные активности 137Сз и 908г в два и более раз превосходят контрольные величины и средние значения для почв северного полушария. Отмечено превышение ПДК подвижных форм Н^,, РЬ и № в почве на 30 %, 40% и 50% площади исследуемых участков соответственно. В целом прослеживается распространение радиоактивного и химического загрязнения в направлении поймы р. Вятки.

Теоретическая и практическая значимость

Полученные данные о биологических эффектах хронического совместного радиационного и химического воздействия на природные популяции растений представляют собой уникальную информацию и восполняют существующий пробел в знаниях о последствиях техногенеза для наземных экосистем.

Результаты работы обладают новизной, имеют теоретическое значение для развития концепции комплексной оценки риска последствий сочетанного радиационного и химического загрязнения для природных наземных экосистем. Впервые на примере промышленно-природной зоны Кирово-Чепецкого химического комбината выполнена комплексная оценка состояния растительных сообществ и доказано, что с увеличением концентрации загрязняющих веществ в почве происходит снижение репродуктивного потенциала у чувствительных и повышение репродуктивной способности у устойчивых видов.

Результаты диссертационной работы могут являться основой для принятия решений о необходимости природоохранных и реабилитационных мероприятий в зоне влияния крупнейшего в Европе химического предприятия -Кирово-Чепецкого химического комбината.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Латеральное распределение радионуклидов (137Cs, 90Sr, 238U) и тяжелых металлов (Cu, Zn, Ni, Cd, Hg) определяется геохимическими характеристиками почв. Уровень радиоактивного и химического загрязнения почвен-но-растительного покрова промышленно-природной зоны Кирово-Чепецкого химического комбината зависит не только от концентраций веществ, но и от рельефа местности и содержания подвижных форм фосфора.

2. Urtica dioica, в растительном сообществе исследуемой территории выступает доминантом. Отмечали повышение качества проростков этого вида при снижении репродуктивного потенциала. У Cirsium setosum при увеличении содержания поллютантов в почве на фоне повышения репродуктивной способности возрастает уровень повреждения ДНК и снижается жизнеспособность проростков. Filipéndula ulmaria оказалась наиболее устойчивым видом: радиоактивное и химическое загрязнение не оказало достоверного негативного влияния на качество семян.

3. При совместном действии факторов радиационной и химической природы происходит не только снижение видового разнообразия и увеличение числа сорно-рудеральных видов, но и смена доминантов и содоминантов в сообществах растений вблизи КЧХК.

Личный вклад соискателя

Сбор и обобщение литературных данных по теме исследования; все этапы экспериментальной работы: участие в полевых исследованиях, отбор образцов природных сред, подготовка проб к химическому анализу, выполнение описания растительного покрова, проведение экспериментов; статистическая обработка и анализ данных, построение карт латерального загрязне-

ния тяжелыми металлами и радионуклидами почв, подготовка основных публикаций по выполненной работе была проведена лично автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы и публикации

Основные результаты исследований были доложены на конференциях: двух Всероссийский молодежных научных конференциях «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2011; 2012); Всероссийской конференции с международным участием «Экология и геологические изменения в окружающей среде северных регионов» (Архангельск, 2012); 16 Международной школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2012); II Всероссийской молодежной научной конференции «Молодежь и наука на севере» (Сыктывкар, 2013); Международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013); IV международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (Томск, 2013).

Публикации

По теме диссертации опубликован�