Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическое состояние почв г. Свирска Иркутской области

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическое состояние почв г. Свирска Иркутской области"

На правах рукописи

СОСНИЦКАЯ Татьяна Николаевна

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ Г. СВИРСКА ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ: ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И ДЕТОКСИКАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

03.02.08 - экология (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 5 г'АП 2014

005549104

Иркутск-2014

005549104

Работа выполнена на кафедре агроэкологии, агрохимии, физиологии защиты растений Федерального государственного бюджетного образовательно учреждения высшего профессионального образования «Иркутск государственная сельскохозяйственная академия» (г. Иркутск).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Хуснидинов Шарифзян Кадирович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры агроэкологии, агрохимии, физиологии и защиты растений (г. Иркутск)

Огарков Борис Никитович

доктор биологических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образован «Иркутский государственный университет», заведующий кафедрой микробиологии (г. Иркутск)

Баханова Милада Викторовна

кандидат биологических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Бурятский государственный университет», доцент кафедры ботаники (г. Улан-Уд Федеральное государственное бюджетное учрежден науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН (г. Иркутск)

Защита состоится «23» мая 2014 года в 15.00 часов на заседай диссертационного совета Д.212.022.03 при ФГБОУ ВПО «Бурятсю государственный университет по адресу: 670000, г. Улан-Удэ ул. Смолина, 24 конференц-зал. Факс: (3012) 210588, e-mail: d21202203@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Бурята -государственный университет» и на сайте Бурятского государственно университета www.bsu.ru

Автореферат разослан <^Л»илрел9 2014 года и размещен на сайте ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Гулгенова А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований.

Почвенный покров Муниципального Образования (МО) г. Свирск Иркутской области подвержен мышьяковому и свинцовому загрязнению. Загрязнение мышьяком явилось следствием деятельности Ангарского металлургического завода (АМЗ) в г. Свирске, производящего мышьяк для нужд оборонной промышленности СССР в 1934-1949 годах (Баранова, 2007; Пшонко, 2009), а свинцовое загрязнение - следствием работы аккумуляторного завода, действующего с 1941 года по настоящее время.

В последние годы (2011-2013 гг.) очень большое внимание уделяется проблемам ликвидации очага загрязнения, определению границ и степени загрязнения ОПС МО г. Свирск мышьяком. После выделения финансовых средств с федерального бюджета в 2013 году за пределы г. Свирска были вывезены разрушенные цеха, отходы производства АМЗ и зараженная почва. Несмотря на ликвидацию очага загрязнения, необходимость детоксикации почвенного покрова (ДПП) зараженной территории актуальна. Однако технологические решения проблемы детоксикации ТМ и мышьяка и производства экологически безопасной продукции (ЭБП) пока не разработаны.

На землепользовании МО г. Свирск созданы и функционируют 9 садово-огородных кооперативов (СОК), где жители города для собственных нужд выращивают плодоовощную продукцию и картофель, которые в разной степени загрязнены ТМ и мышьяком.

Для детоксикации почв в настоящее время рекомендуются разнообразные физические, химические и биологические приемы. В связи со спецификой загрязнения ОПС МО г. Свирск, проблема детоксикации почв и производства ЭБП требует комплексного решения, включающего мониторинг степени загрязнения (МСЗ) почв и растений, фрезерную обработку почвы при их освоении и окультуривании, внесение компостированных органических удобрений, фитоэкстракцию ТМ и мышьяка за счет возделывания специальных растений-фитоаккумуляторов и выращивание растений-толерантов, которые в условиях загрязнения обеспечивают получение ЭБП. Однако эти технологические решения в условиях региона остаются слабо изученными. Цель.

Снижение уровня загрязнения почвенного и растительного покрова МО г. Свирск и получение экологически безопасной продукции растениеводства. Задачи:

1. Оценить уровень загрязнения почвенного и растительного покрова МО г. Свирск и состояние здоровья населения;

2. Изучить степень детоксикации почв в результате их освоения и окультуривания;

3. Дать оценку влияния длительного применения органических удобрений на снижение степени загрязнения почв;

4. Произвести оценку толерантности и кумулятивности сельскохозяйственных растений на загрязненных мышьяком и свинцом почвах;

5. Рассчитать эколого-экономическую эффективность применения

органических удобрений как приема снижения уровня загрязнения

сельскохозяйственных растений.

Защищаемые положения:

1. Оценка уровня загрязнения почвенного и растительного покрова МО г. Свирск мышьяком и свинцом и состояние здоровья населения.

2. Детоксикация загрязненного почвенного покрова и получение экологически безопасной продукции растениеводства достигается при окультуривании почв, внесении органических удобрений, фитоэкстракции и использовании потенциала толерантных растений.

Научная новизна исследований. Впервые в условиях региона проведено комплексное изучение уровня загрязнения почвенного и растительного покрова и дана оценка состояния здоровья населения МО г. Свирск. Изучен комплекс мероприятий по детоксикации ТМ и мышьяка и производства экологически безопасной продукции растениеводства в результате их освоения и окультуривания, длительного применения органических удобрений. Изучена экологическая эффективность растений - фиторемедиантов и разработаны технологии фитоэкстракции техногенно загрязненных мышьяком почв. В условиях техногенного загрязнения с целью получения экологически безопасной продукции произведена оценка толерантности (устойчивости) растений.

Практическая значимость. Предложен комплекс технологических приемов по ДПП за счет систематического применения органических удобрений и снижения загрязнения почв в результате их освоения и интенсивной обработки, определены сельскохозяйственные растения, отличающиеся толерантностью (устойчивостью) к загрязнению среды МО г. Свирск мышьяком и свинцом.

Выявлены растения, обладающие кумулятивными свойствами, рекомендуемые для фитоэкстракции — приема постепенного извлечения, отчуждения загрязнителей из почвы.

Материалы исследований могут быть использованы для получения ЭБП.

Апробация результатов исследований. Основные результаты исследований были доложены на: Всероссийском научно-практическом семинаре «Ресурсосберегающие технологии производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции» (Иркутск, 2011); Научно-практическом семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА» (Иркутск, 2012); Международной научно-практической конференции молодых ученых (Иркутск,

2012); Научно-практическом семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА» (Иркутск, 2013); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» (Иркутск,

2013); Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию аспирантуры ИрГСХА «Экологическая безопасность и перспективы развития аграрного производства Евразии» (Иркутск, 2013); Региональной научно-практической конференции с международным участием, посвященной 80-летию ФБГОУ ВПО ИрГСХА «Современные проблемы и перспективы развития АПК» (Иркутск, 2014).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 4 в изданиях ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 169 источников. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, включает 17 таблиц, 27 рисунков, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Токсические свойства тяжелых металлов и мышьяка

В разделе представлен литературный анализ основных свойств тяжелых металлов. Раскрыты понятия «токсические тяжелые металлы» и «микроэлементы». Охарактеризована опасность тяжелых металлов для организмов при вовлечении их в биохимические процессы. Отмечены канцерогенные свойства, а также тот факт, что под действием тяжелых металлов в организме происходит блокировка ферментов, что приводит к нарушению действия физиологических систем.

Детальнее представлена характеристика свойств мышьяка и свинца, источники поступления их в объекты окружающей среды, токсическая доза и токсическое действие на живые организмы (органы-мишени при мышьяковом и свинцовом отравлении), охарактеризована их физиологическая роль в организме.

1.2. Протекторные свойства почв по отношению к тяжелым металлам и

мышьяку

В разделе охарактеризованы свойства почв, влияющие на их устойчивость и способность к самоочищению в результате загрязнения тяжелыми металлами. А также перечислены и охарактеризованы основные приемы восстановления почвенного покрова в результате сильного техногенного загрязнения, когда почва утрачивает способность к самоочищению, такие как известкование, внесение органического вещества и минеральных удобрений, химическое осаждение, глинование.

1.3. Реакция растений на степень загрязнения почвы тяжелыми металлами и

мышьяком

В разделе описано токсическое воздействие тяжелых металлов и мышьяка на растительный организм, а также представлен литературный анализ признаков угнетения растений при избыточном загрязнении окружающей среды. К ним относятся: подавление роста, снижение продуктивности, слабое развитие корневой системы, снижение транспирации, увядание, изменение цвета листьев, некрозы и хлорозы, нарушение фотосинтеза и дыхания, увеличение грибковых

заболеваний, проявление признаков ксеноморфности (карликовость, мелколистность, розеточность и др.). Сильное загрязнение среды произрастания тяжелыми металлами и мышьяком может повлечь гибель растения.

1.4. Устойчивость и степень поглощения тяжелых металлов и мышьяка

растениями: растения - толлеранты и растения - «аккумуляторы»

В разделе представлен литературный анализ основных механизмов приспособления растительных организмов к повышенной концентрации тяжелых металлов в среде обитания. Раскрыто понятие «толерантности» растений к тяжелым металлам. На основе литературных данных перечислены растения -гипераккумуляторы (накапливающие в своих тканях значительные количества поллютантов) и растения - исключители (ограничивающие поступление в организм тяжелых металлов и, как следствие, обладающие способностью не накапливать поллютанты в своей биомассе).

1.5. Особенности загрязнения природной среды и мероприятия по устранению экологической катастрофы в МО г. Свирск

В разделе на основе литературных источников представлена краткая характеристика г. Свирска, а также история возникновения промышленных предприятий в этом городе, их работы, закрытия и реорганизации. Описаны основные источники и уровни загрязнения природной среды МО г. Свирск, а также проведенные мероприятия, направленные на исправление экологической ситуации, сложившейся в этом МО.

2. АБИОТИЧЕСКИЕ И ЭДАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Абиотические условия

В работе использовались данные метеорологических ежемесячников ФГБУ «Иркутское УГМС». Показатели тепло- и влагообеспеченности в период исследований (2011-2013 гг.) были благоприятными для произрастания растений, как в Черемховском, так и в Иркутском районах.

2.2. Эдафическне условия

По агропочвенному районированию Черемховский район Иркутской области входит в Иркутско-Черемховскую лесостепную зону, в почвенном покрове которой доминируют серые лесные преимущественно оподзоленные, дерново-карбонатные и черноземные почвы. Участки исследований представлены выщелоченными черноземами и дерново-карбонатными почвами.

Контрольные участки п. Молодежный Иркутского района представлены серыми лесными почвами.

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Объекты исследований

Исследования проводились в МО г. Свирск и в п. Молодежном Иркутского района Иркутской области в 2007 - 2013 гг.

Объектами исследований были целинные и используемые земельные участки, расположенные как в черте города Свирска, так и в его пригородной зоне обозначенные на схеме (рис.1) как 1, 2, 3, 7 (садово-огородные), 4, 5, 6 (целинные).

Рисунок 1 - Схема расположения участков отбора почвенных и растительных образцов в МО г.

Свирск

Размер целинных участков 5*5 м, площадь - 25 м2, площадь огородных участков составляла 6 соток. Участки 1, 2, 3, 4 и 5 располагались по розе ветров, участки 6 и 7 - против направления господствующих ветров относительно территории бывшего АМЗ. Участок 1 расположен в 1 км от бывшего АМЗ и в 1,5 км от р. Ангары, 2 - в 1,5 км от АМЗ и в 1 км от р. Ангары, 3 - в 5 км, 4 - в 1 км,

5 - в 5 км, б в 1 км, 7 - 5 км от АМЗ.

Одновременно были проведены исследования на относительно незагрязненных (контрольных) участках, расположенных на опытном поле Иркутской ГСХА и на приусадебном участке в п. Молодежном Иркутского района и обозначались 1 к (полевой) и 2к (садово-огородный).

Тип почвы: на участках 3, 5 и 7 — дерново-карбонатная, на участках 1, 2, 4, 6 — чернозем выщелоченный, на контрольных участках 1к и 2к —серая лесная.

Объектами исследований были следующие растения: кострец безостый (Bromopsis inermis), пырей ползучий (Elytrigia repens), люцерна посевная (Medicago sativa), рапс (Brassica napus), эспарцет (Onobrvchis orenaria).

шШШ

Аналогичные растения выращивались на опытном поле ИрГСХА на участке 1к (контроль). На участке 6, возделывался картофель (Solanum tuberosum), а на садово-огородных участках 1, 2, 3, 2к (контроль) выращивались овощные и зеленые культуры: морковь(0аиег« carota), капуста белокочанная (Brassica oleráceo), кабачки (Cucurbita pepo), картофель (Solanum tuberosum), свекла (Beta vulgaris), томаты (Solanum lycopersicum), огурцы (Cucumis sativus), укроп (Anethum graveolens), петрушка на зелень (Petroselinum), лук на зелень (Allium), а так же плодово-ягодные кустарники, такие как слива домашняя (Prunus domestica), смородина черная (Ribes nigrum).

3.2. Методы отбора почвенных н растительных образцов

Отбор почвенных образцов производился в конце вегетационного периода в слое почвы 0-20 и 20-40 см. Отбор проводился согласно ГОСТ 17.4.4.02-84 с площадок квадратной формы (5*5 м) методом почвенного конверта. Пробы отбирались пластмассовым шпателем в четырех крайних точках и одной центральной. Средняя проба из каждого слоя была массой около 1 кг.

Растительные образцы отбирались в конце вегетационного периода в фазе полной спелости. С целинных участков отбор производился со всей площади исследуемого участка. На садово-огородных участках отбирались все виды возделываемых на них культурных растений. Масса растительного образца составляла 1 кг.

Почвенные и растительные образцы помещались в пакеты, снабжались этикетками и отправлялись в аккредитованную испытательную лабораторию ФГБУ «ЦАС «Иркутский».

3.3. Методы исследований

Воздушно-сухие почвенные образцы измельчались, просеивались через сито 1мм, после чего в них определялись следующие агрохимические и агроэкологические показатели: Ph солевой вытяжки — потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-85); подвижные формы фосфора и калия - по методу Кирсанова (ГОСТ 26207-91) и Мачигина (ГОСТ 20205-91); гумус - по методу Тюрина (ГОСТ 26213-91); валовые формы тяжелых металлов - атомно-абсорбционным методом (РД 52.18.191-89); подвижные формы тяжелых металлов - атомно-абсорбционным методом (РД-52.18-289-90).

В растительных образцах определялось содержание тяжелых металлов: Си, Zn, Pb, Cd, атомно-абсорбционным методом, согласно ГОСТ 30178-96, As — согласно ГОСТ 26930-86 и Hg - согласно МУ 5178-90 МЗ СССР.

Оценка степени опасности загрязнения и здоровья населения МО г. Свирск проводилась в зависимости от характера землепользования, согласно «Методическим указанием по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами» (Методические указания, 1987). Показатели фонового содержания ТМ в различных типах почв, являющиеся основой расчета коэффициента концентрации элемента, оценки степени опасности загрязнения

почв и показателей здоровья населения брались по В.П. Герасименко (2009). Расчеты производились по следующим формулам:

где: 2с - суммарный показатель загрязнения; п - число суммируемых элементов;

К - коэффициент концентрации, равный отношению содержания элемента в почве к фоновому содержанию этого элемента.

Для оценки миграции ТМ и мышьяка в системе почва-растение были рассчитаны коэффициенты накопления (КН) равные отношению концентрации загрязнителя в тканях растения к концентрации его в окружающей среде (почве).

Полученные результаты были статистически обработаны.

4. ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО

ПОКРОВА ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И МЫШЬЯКОМ В МО Г.

СВИРСК И ПРИЕМЫ ИХ ДЕТОКСИКАЦИИ

4.1. Оценка загрязнения почвенного покрова МО г. Свнрск

тяжелыми металлами и мышьяком и состояния здоровья

населения

Анализ содержания валовых форм ТМ и радионуклидов в почвах на участках 6 и 7 представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание валовых форм тяжелых металлов, мышьяка и радионуклидов в почвах _____участков 6 и 7_

Участок исследования Содержание валовых форм тяжелых металлов, мг/кг Содержание радионуклидов, Бк/кг мощность дозы гамма излучения мкР/ч

2п | С<1 | № | Со | РЬ | Си | Аэ | Нд | Мл | Ре Св137 I Бг90

2007

6 156 0,78 50,4 10,6 192 108 42,0 0,25 470 22600 3,28 0,7 9

7 57 0,45 37,5 8,9 23 14 18,5 0,02 343 14100 3,04 1,58 5,9

2008

6 136 0,73 35,7 8,2 346 248 15,4 I 0,4 348 31900 0,46 1,16 9

7 69 0,51 37,5 8,4 19 18 8,7 0,02 467 17600 3,63 0,93 5,9

2009

6 128 0,58 45,3 7,8 159 146 64,0 0,05 585 28600 2,03 0,71 9

7 59 0,66 39,6 9,9 27 15 11,2 0,03 357 16800 2,52 0,43 5,9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

2011

6 158 0,78 40,3 7,9 158 152 66,0 I 0,29 520 18200 4,67 0,73 9,9

7 67 0,45 38,2 11,0 20 15 14,9 0,02 496 13700 2,5 0,37 7,3

ГН 2.1.7.2042-06 220 2 80 - 130 132 2-10 | 2,1 1500 - - - -

Определение уровня загрязнения валовыми формами ТМ проводилась с целью оценки опасности загрязнения почвы для здоровья населения. Для этого был рассчитан суммарный показатель загрязнения почв исследуемых участков по

6 основным поллютантам (Аб, РЬ, Си, 2п, N1, Сс1). Результаты расчетов приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Суммарный показатель заг рязнения почвы на учасгке 6

Расчеты показали, что почва участка 6 относится к категории - опасной для проживающего населении. Согласно предложенных и принятых нормативов (Методические указания, 1987), представленный уровень загрязнения почв изучаемыми поллютантами приводит к увеличению общей заболеваемости людей, нарушениям функционального состояния сердечно-сосудистой системы, увеличению числа часто болеющих детей и детей с хроническими заболеваниями.

Почвы на участке 7 используются для выращивания сельскохозяйственных культур, поэтому основой для оценки опасности загрязнения почв этого участка являлся транслокационный показатель вредности.

Содержание ТМ в почвенном покрове на участке 7 не превышало ориентировочно допустимую концентрацию (ОДК). Выявлено загрязнение почвы валовыми формами мышьяка, которые значительно превышали транслокационный показатель вредности (2 мг/кг). Исходя из этого, участок 7 отнесен нами к категории - высоко опасный для здоровья населения. Для более полной оценки состояния загрязнения почвенного покрова МО г. Свирск были проведены исследования на участках 4; 5 и 1 к.

Результаты проведенных аналитических исследований представлены в таблице 2.

Расчет суммарного показателя загрязнения почв участков 4; 5 и 1к представлен на рисунке 3.

Расчеты показали, что участок 4 характеризуется как опасный для человека и животных. Почвы на участках 5 и 1к характеризуется как допустимо загрязненные. При комплексной оценке состояния здоровья следует отметить, что уровень заболевания и частота функциональных отклонений взрослого населения минимальна, отмечается наиболее низкий уровень заболевания детей.

Таблица 2 - Содержание валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в образцах почвы, ___отобранных на целинных участках 4; 5 и на контрольном участке 1к__

Место отбора/ номер участка Тип ПОЧВЫ Глубина отбора, см Валовые формы тяжелых металлов, мг/кг Ав, мг/кг н8, мг/кг

РЬ Сё № Ъп Мп Си Со Ре

2011

г. Свирск/ 4 Вышел, чернозем 0-20 169,7 0.55 31,3 105,6 467 83,20 25300 432 0,100

20-40 20,62 0,37 31,2 60,2 455 18.06 - 26800 172 0,015

г. Иркутск'' 1 к Серая лесная 0-20 11,25 0,31 25,8 56,6 502 11,45 - 29500 4,1 0,010

20-40 11,72 0,32 29,7 59,8 487 11,32 - 28300 4,9 0,010

НСР 0,5 0-20 13,48 - - - - - - - 8,35 -

20-40 7,04 - - - - - - 8,49

2012

г. Свирск/ 4 Выщел. чернозем 0-20 120,0 0,38 41,3 90,3 400 82,50 7,74 18000 135,0 0,083

20-40 21.80 0,54 38,2 55,8 385 18,90 8.60 13500 41,0 0,024

г. Свирск/ 5 Дерново-карб. 0-20 14.06 0,32 41,4 65,7 490 18,38 7,74 19300 8^6 0,022

20-40 14.77 0,38 44.5 65,2 485 17,90 8,91 22500 8,6 0,017

г Иркутск/ 1 к Серая лесная 0-20 12,19 0,30 38,3 69,0 555 15,44 7,97 22900 5,3 0,031

20-40 8,44 0,28 32,0 53,0 408 1 1,75 8,75 17900 3,4 0.010

НСР 0,5 0-20 12.94 - - - - - - - 8,42 -

20-40 6,29 - - - - - - - 5,84 -

2013

г. Свирск/ 4 Вышел, чернозем 0-20 122,3 0,37 32,3 89,7 510 83,20 13,8 28670 199,5 0,099

20-40 59,60 0,33 34,7 101,2 525 34,80 14,2 28300 192,0 0,095

г. Свирск/ 5 Дерново-карб. 0-20 18,10 0,31 34,7 71,5 540 17,80 12,2 25400 9,6 0,018

20-40 14,20 0,29 38,2 68,7 555 18,90 11,1 30700 10,7 0,016

г. Иркутск/ 1 к Серая лесная 0-20 12,90 0,42 34,3 58.5 373 13,86 13,2 37500 4,0 0,025

20-40 10.78 0,37 32,8 59.8 562 14,25 12.8 36600 4,3 0,023

НСР 0,5 0-20 13,56 - - - - - 8,12 -

20-40 6,62 - - - - - - 6,41 -

ОДК 130 2 80 220 1500 132 - 10 2,1

Яцелинный участок 4 Щцелинный участок 5 Ш1 к (контроль)

Рисунок 3 - Суммарный показатель загрязнения почв участков 4; 5 и 1к

2011 2012 2013

Аналитические данные, представленные на рисунке 3 и в таблице 2, свидетельствуют о высокой степени мышьякового и свинцового загрязнения почв участка 4, где содержание валовых форм свинца и мышьяка в пахотном горизонте достигало 1,3 ОДК и 43,2 ОДК соответственно.

В почве на участке 5 содержание валовых форм тяжелых металлов не превышало ОДК, концентрация мышьяка составила 0,9 ОДК.

В почве контрольного участка содержание валовых форм ТМ не превышало

ОДК.

Таким образом, почвенный покров МО г. Свирск загрязнен ТМ и мышьяком. Суммарный показатель загрязнения почвенного покрова превышал значение - 32. По общепринятой градации эти почвы отнесены к опасным для здоровья населения и способствуют увеличению числа заболеваний.

4.2. Степень детокснкацни загрязненных почв в результате их освоения и окультуривания

Для изучения механизмом накопления, трансформации и детоксикации ТМ и мышьяка возникла необходимость оценить степень загрязнения окультуренных почв, используемых для производства растениеводческой продукции, на которых применялись различные мелиоративные приемы.

Анализ содержания валовых форм ТМ и мышьяка в окультуренных почвах участков 1; 2; 3 и в почвах контрольного участка 2к представлен в таблице 3.

На почвах садово-огородных участков МО г. Свирск, используемых для выращивания продовольственных растений для оценки степени опасности применялся транслокационный показатель вредности.

В почве участка 1 содержание мышьяка и свинца значительно превышало транслокационный показатель вредности (2 мг/кг), причем загрязненными оказались как пахотный (0-20 см), так и подпахотный (20-40 см) слои почвы. Кроме того наблюдалось превышение уровней водного и общесанитарного показателей вредности, что позволяет почву участка 1 отнести к чрезвычайно опасной для здоровья человека.

Почвенный покров участка 2 по сравнению с участком 1 в меньшей степени загрязнен исследуемыми токсикантами. Отмечено содержание свинца, превышающее транслокационный показатель вредности в 1,6 раз в пахотном слое и в 1,3 раза - в подпахотном. Транслокационный показатель загрязнения мышьяком почвы этого участка был превышен в 25 раз. Отмечалось превышение водного и общесанитарного показателей загрязнения мышьяком. В этой связи почву участка 2 следует отнести к категории чрезвычайно опасных почв.

В почве садово-огородного участка 3 отмечалось содержание мышьяка на уровне 1 ОДК. Транслокационный показатель загрязнения мышьяком этой почвы превышен в 5,6 раз, что позволяет нам участок 3 отнести к категории - высоко опасный для здоровья населения.

Таблица 3 - Содержание валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в окультуренных почвах __ па участках 1; 2; 3 и контрольном участке 2к___

Место отбора/ номер участка Тип почвы Глубина отборами Валовые формы тяжелых металлов, мг/кг Аз, мг/кг нь мг/кг

РЪ СЛ № 2п Мп Си Со Ре

2011

г. Свирск / 1 Выщелоч. чернозем 0-20 70,2 0,38 27,4 93,7 360 23,02 - 23600 158 0,033

20-40 35,87 0,40 31,3 73,0 492 19,41 - 22700 136 0,019

г. Иркутск / 2к Серая лесная 0-20 17,35 0.27 29,0 70,1 622 15,56 - 27000 3,9 0,024

20-40 12.42 0,28 38,2 60,1 632 14,06 - 33100 3,9 0,026

НСР 0,5 0-20 8,41 - - - - - - - 4,16 -

20-40 7,01 - - - - - - 6,49 -

2012

г. Свирск / 1 Выщелоч. чернозем 0-20 101,4 0,32 41,5 68.3 398 22,13 7,74 21000 44,5 0,056

20-40 33,75 0,33 53,8 65,3 425 17,58 8,59 28000 29,5 0,039

г. Свирск / 3 Дерново-карбонат. 0-20 27.89 0,41 44,5 115,3 425 18,03 8,21 15500 11,2 0,061

20-40 21,32 0.59 53.9 74,1 373 16,15 9,91 11200 7,1 0,026

г. Иркутск / 2к Серая лесная 0-20 9,14 0,23 24,1 65,1 298 15,03 6,10 13100 3,4 0,021

20-40 10,31 0,28 32,0 63,2 375 15,50 7,26 19400 5.6 0,019

НСР 0,5 0-20 4,41 - - - - - - - 7,77 -

20-40 4,56 - - - - - - - 6,12 -

2013

г. Свирск /' 1 Выщелоч. чернозем 0-20 96,5 0,31 28,9 116,2 500 28,60 14,2 22400 141,0 0,057

20-40 78,5 0,32 31,2 96,2 525 25,90 12,3 24100 141,0 0,042

г. Свирск / 2 Выщелоч. чернозем 0-20 56,1 0,29 18,5 110,2 230 15,80 14,2 9200 49,0 0,051

20-40 46,5 0,30 24,6 102,8 245 15,90 12,8 10140 43,0 0,037

г. Иркутск / 2к Серая лесная 0-20 12,43 0,28 27,8 66,6 490 13,92 11,0 26800 4,57 0,025

20-40 11,48 0.30 23,5 63,7 547 13,92 10,9 29700 4,41 0,022

НСР 0,5 0-20 6,28 - - - - - - - 6,72 -

20-40 4,36 - - - - - - - 5,44 -

ОДК 130 2 80 220 1500 132 - - 10 2,1

Таким образом, окультуренные используемые почвы садовых участков МО г. Свирска загрязнены свинцом и мышьяком. Причем почвы на участках 1 и 2, которые находятся в садоводческом кооперативе, расположенном в 1 км от бывшего АМЗ загрязнены в большей степени, чем почва на участоке 3, находящегося на возвышенности над поймой и против направления господствующих ветров.

В почвенных пробах, взятых для сравнительного анализа на садовом участке в г. Иркутске, содержание валовых форм ТМ и мышьяка не превышало ОДК.

Влияние освоения и окультуривания почв на степень детоксикации ТМ и мышьяка прослеживается при сравнении степени загрязнения окультуренных и целинных почв. Для проведения сравнительного анализа уровня загрязнения освоенных и целинных почв различными видами токсикантов нами были рассчитаны коэффициенты соотношения их содержания на участках 1 и 4. Эти участки находятся недалеко друг от друга и в одном направлении относительно бывшего очага загрязнения. Почвы этих участков относятся к одному типу и имеют приблизительно одинаковые агрохимические показатели. Расчеты производились на основе данных таблиц 2 и 3 для основных загрязнителей — Аэ и РЬ. Наглядно результаты этих расчетов представлены на следующих рисунках.

«участок 1 иучасток 4

в участок 1 иучасток 4

Рисунок 4 - Соотношение содержания мышьяка в почвенных слоях 0-20 и 20-40 см на участках 1 и 4

2011 2012 2013

2011 2012 2013

Данные рисунка 4 и таблиц 2 и 3 свидетельствуют о том, что целинные почвы по сравнению с окультуренными в большей степени загрязнены мышьяком. Содержание мышьяка в слое 0-20 см в целинных почвах в 1,4-3 раза превышало этот показатель в окультуренных, а в слое 20-40 см - в 1,3-1,39 раз.

Загрязнение слоя 0-20 см свинцом в целинной почве было в 1,18-2,24 раза больше в сравнении с окультуренной почвой. Несколько изменилась ситуация с содержанием свинца в подпахотном горизонте. Этот слой в целинных почвах был менее загрязнен - в 1,54-1,74 раза, чем в окультуренных. Мы считаем, что это связано с тем, что в процесс выращивания культурных растений на садово-огородном участке вовлекается только пахотный слой (0-20 см), который подвергался различным видам обработки.

Таким образом, при сравнительном анализе степени загрязнения целинных и окультуренных почв нами прослежена устойчивая закономерность: большая загрязненность целинных почв по сравнению с окультуренными валовыми формами мышьяка и свинца.

Мы считаем, что освоение, окультуривание почвы и применяемые агротехнические приемы при возделывании сельскохозяйственных культур на участке 1 способствовали ДПП. Кроме того часть загрязняющих веществ

Рисунок 5 участках I и 4

Соотношение содержания свинца в почвенных слоях 0-20 и 20-40 см

2011 2012 2013

Н участок 1 ЕВ участок 4

2011 2012 2013

Яучасток 1 Я участок 4

выносилась из почвы с основной и побочной продукцией возделываемых растений.

4.3. Изменение содержания тяжелых металлов и мышьяка в почвах и растениях в результате систематического применения органических удобрений

С целью оценки санитарно-гигиенической роли органических удобрений был проведен сравнительный анализ загрязненных ТМ и мышьяком почв на двух садово-огородных участках в МО г. Свирск. Для анализа были выбраны участки 1 и 2. Участки 1 и 2 расположены в одном садоводстве, в одинаковом направлении относительно бывшего очага загрязнения, неподалеку друг от друга (рис. I). На участке 2 в течение многих лет в почву ежегодно вносились органические удобрения в норме около 30 кг/м2, в почвы на участке 1 органика вносилась в той же норме один раз в два года.

Содержание валовых форм ТМ и мышьяка представлено в таблице 4.

Таблица 4 - Содержание валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в окультуренных почвах _ _на участках 1 и 2____

Номер участка Тип почвы Глубина отбора, см Валовые формы тяжелых металлов, мг/кг Ав, мг/кг "8, мг/кг

РЬ са № Ъп Мп Си Ие

июнь 2013

I Выщелоч. чернозем 0-20 94,7 0,36 35,9 88,2 512 31,50 32756 124,5 0,036

20-40 53,3 0,33 38.2 80,1 580 26,75 27132 101,5 0,029

2 Выщелоч. чернозем 0-20 90,7 0.33 28,7 126,2 500 29,98 22400 60,5 0.039

20-40 74,7 0,33 32,8 94,6 525 25.87 24016 60,4 0,033

август 2013

I Выщелоч. чернозем 0-20 96,5 0,31 28,9 116,2 500 28,60 22400 141,0 0,057

20-40 78,5 0,32 31.2 96,2 525 25,90 24100 141,0 0,042

2 Выщелоч. чернозем 0-20 56,1 0,29 18.5 110,2 230 15,80 9200 49.0 0,051

20-40 46,5 0,30 24,6 10.8 245 15,90 10140 43,0 0,037

ОДК 130 2 80 220 1500 132 - 10 2.1

Наблюдалась тенденция меньшего загрязнения мышьяком и свинцом почвенного покрова на участке 2, где проводилось систематическое внесение органических удобрений. Соответственно содержание мышьяка в растительной продукции, произрастающей на почвах участка 1 и участка 2, отличалось (табл. 6). Наглядно содержание мышьяка в овощной продукции, отобранной на участках 1 и 2, представлено на рисунке 6.

Данные рисунка 6 свидетельствуют о большем загрязнении овощной продукции, полученной на садово-огородном участке 1 в сравнении с продукцией, полученной на огородном участке 2, где в почву постоянно в течение длительного времени вносились органические удобрения.

Рисунок 6 - Содержание мышьяка в растениях, произрастающих на участках 1 и 2

Таким образом, при систематическом внесении органических удобрений в почву, происходило снижение содержания мышьяка не только в почве, но и в растениях, произрастающих на этой почве. Кроме этого в почвенном покрове под действием органических удобрений происходило снижение содержания свинца.

4.4. Особенности накопления тяжелых металлов и мышьяка различными видами растений

В соответствии с поставленными задачами изучения механизмов аккумуляции ТМ однолетними и многолетними травами, перспективными для использования в технологиях фитоэкстракции, были проведены исследования, результаты которых приведены в таблице 5.

Полученные данные свидетельствуют о загрязнении вегетативной массы однолетних и многолетних растений, произрастающих на территории МО г. Свирск мышьяком. Содержание остальных металлов в растениях не превышало ПДК. Оценка накопления мышьяка изучаемыми растениями проводилась на основе сопоставления данных таблиц 2; 3 и 5.

Представленные аналитические данные свидетельствуют о том, что при значительном загрязнении почвенного покрова мышьяком растения, произрастающие на этих почвах, были загрязнены этим поллютантом, что указывает на неспособность защитных механизмов изучаемых растений препятствовать поступлению мышьяка в органы и ткани при сильном уровне загрязнения почвенного покрова.

Представленные данные свидетельствуют о наибольшем накоплении мышьяка в вегетативных органах люцерны посевной. В связи с полученными данными мы рекомендуем люцерну посевную в качестве растения-фиторемедианта на загрязненных почвах МО г. Свирск. В отдельные годы наблюдалось значительное накопление мышьяка кострецом безостым, однако устойчивая закономерность накопления мышьяка этим растением за весь период исследований не выявлена.

Таблица 5 - Содержание тяжелых металлов и мышьяка в зеленой массе трав с участков в г. ___Свирске и п. Молодежном__

Наименование культуры Номер участка отбора Содержание токсикантов, мг/кг

Си гп РЬ Сс1 »8 Аз

2011 год

Люцерна посевная 4 6,16 26,44 3,00 0,13 0,0220 1,310

Кострец безостый 4 5,70 26,91 1,40 0,18 0.0090 0,430

Пырей ползучий 4 1,63 23,00 0,58 0,15 0.0180 0,960

Овес 4 3,50 15,81 0,48 0,13 0.0030 0,200

Люцерна посевная 1 к 4,40 12,98 0,13 0,09 0.0060 0,060

Кострец безостый 1 к 2,17 12,81 0,13 0,05 0.0050 0,040

Пырей ползучий 1 к 3,30 17,30 0,25 0,09 0.0010 0,090

Овес 1 к 2,45 12,60 0,10 0,07 0,0000 0,050

НСР 0.5 1,42 4,06 0,11 0,06 0,001 0,38

2012 год

Люцерна посевная 4 4,40 24,20 0,13 0,10 0,0100 2.000

Кострец безостый 4 5,25 21,25 0,22 0.19 0,0248 2,500

Пырей ползуний 4 4,85 17.85 0,27 0,09 0,0060 1,160

Эспзрцет 4 5,25 17,19 0,19 0,19 0,0156 1,070

Рапс 4 4,25 20,15 0,24 0,24 0,0110 1.090

Люцерна посевная !к 4,25 17,05 0,81 0,10 0,0112 0,037

Кострец безостый 1 к 2,25 18,40 0,75 0,11 0,0146 0,058

Пырей ползучий 1 к 2,85 12,30 0,15 0,09 0,0135 0,055

НСР 0,5 1,28 3,62 0,12 0,07 0,001 0,42

2013 гол

Люцерна посевная 2 5,00 22,90 0,29 0,14 0,0190 1,340

Кострец безостый 2 4,25 19,50 0.35 0,14 0.0178 1,280

Эспарцет 2 4,15 17,80 0,31 0,11 0,0136 0,980

Люцерна посевная 1 к 4,25 20,10 0,28 0.10 0,0160 0.045

Кострец безостый 1 к 4,10 18,60 0,27 0,09 0,0112 0,087

Эспарцет 1 к 3.65 17,80 0,21 0,14 0,0108 0,039

НСР 0,5 1,36 3,87 0,14 0.07 0.001 0,34

ПДК 30 50 5,0 0,3 0,05 0,5

С целью изучения механизмов устойчивости овощных культур к накоплению ТМ были проведены исследования, результаты которых приведены в таблице 6.

Содержание ТМ в овощных растениях выше ПДК не выявлено, также как и не выявлено загрязнение почвенного покрова, на котором они произрастали этими поллютантами. Однако отмечается значительное загрязнение овощной продукции, произведенной в СОК мышьяком, что обусловлено сильным мышьяковым загрязнением почв.

Менее устойчивым к мышьяковому загрязнению оказался чеснок, накапливающий мышьяк в зеленой массе и луковице в очень больших количествах. Высоким накоплением мышьяка отличались зеленые овощи, такие как лук, укроп, салат. Высокое содержание мышьяка отмечалось в плодах огурца, корнеплодах столовой свеклы и моркови. Горох накапливал в своей биомассе значительное количество этого поллютанта. Выращивать на загрязненных почвах все названные культуры нами не рекомендуется.

Таблица 6 - Содержание тяжелых металлов и мышьяка в овощных культурах с садово-

огородных участков в МО г. Свирск и п. Молодежный

Наименование культуры Номер участка отбора Содержание токсикантов, мг/кг

Си гп РЬ Сё нв

2011 год

Картофель (клубни) 1 2,44 п,1б 0,50 0,07 0,0010 3,27

Смородина (ягоды) 1 4,52 14,81 0,75 0,09 0,0028 0,27

Свекла (корнеплоды) I 7,33 24,38 3.06 0,14 0,0032 4,13

Укроп (зелень) 1 5,73 27,22 1,00 0,14 0,0090 4,50

Слива (плоды) 1 2,27 8,82 0,42 0,04 0,65

Томат (плоды) 1 4,57 26,00 0,74 0,22 0,0030 1,14

Огурец (плоды) 1 5,00 25,86 1,07 0,09 _ 3,11

Морковь (корнеплоды) 1 5.13 16.48 0,95 0,12 0,0058 1,94

Лук (зелень) 1 4,75 28,9 1,25 0,11 0,0070 2,72

Капуста (кочаны) 1 2,72 14,58 0,13 0,10 0,0010 0,83

Чеснок (луковица, зелень) 1 3.05 16,95 0,50 0,09 0,0040 13,7

Горох (плоды, ботва) 1 4,41 20,51 1,75 0.12 0,0030 5,79

Салат (зелень) 1 5,34 25,85 1,00 0.16 0,0130 2,20

Картофель (клубни) 2к 4,77 17,00 0,75 0,10 0,0020 0,10

Свекла (корнеплоды) 2к 5,70 26,35 0,90 0,11 0,0070 0,12

Укроп (зелень) 2к 4,26 24,09 1,07 0,10 0,0020 0,54

Томат (плоды) 2к 2.77 16,12 0,58 0,18 0,0000 0,48

Огурец (плоды) 2к 4,87 22,70 0,25 0,14 _ 0,42

Морковь (корнеплоды) 2к 3,77 16,45 0.23 0,15 0,0060 0,27

Лук (зелень) 2к - - - _ _ 0,20

Капуста (кочаны) 2к 2,34 13,63 0,13 одо 0,0050 0,16

Чеснок (луковица, зелень) 2к 3,05 16,95 0,50 0,09 0,0040 0,08

Горох (плоды, ботва) 2к 4,68 24,06 0.25 0,09 0,0060 0,05

Салат (зелень) 2к 4,45 20,54 0,25 0,13 0,0050 0,33

НСР 0.5 1,23 | 3,08 0,17 0,08 0,009 0,27

2013 год

Огурец (плоды) 2 2,14 10,80 0,30 0,09 0.0060 1,12

Томат (плоды) 2 2.45 14,70 0,25 0,08 0,0050 0,15

Зеленые культуры (зелень) 2 3,85 13,50 0,22 0,09 0,0070 1,53

Лук, чеснок (луковица) 2 3,45 12,40 0,21 0,11 0,0060 4.40

Свекла (корнеплоды) 2 2,76 24,50 0,17 0,10 0,0075 0,79

Морковь (корнеплоды) 2 2.45 21,85 0,15 0,13 0.0081 0,82

Капуста(кочаны) 2 2.25 17,50 0,21 0,10 0,0105 0,32

Картофель (клубни) 2 3,45 14,55 0,20 0,11 0,0115 0,15

Огурец (плоды) 2к 3,05 10,85 0,09 0,06 0,0075 0,057

Томат (плоды) 2к 3,15 14,50 0,15 0,07 0,0064 0,061

Зеленые культуры (зелень) 2к 2,50 13.25 0,24 0,08 0,0085 0,050

Лук, чеснок (луковица) 2к 2,65 17,40 0,23 0,10 0,0065 0,095

Свекла (корнеплоды) 2к 3,25 20,85 0,17 0,06 0,0090 0,140

Морковь (корнеплоды) 2к 4,15 17,40 0,19 0.11 0,0080 0,100

Капуста (кочаны) 2к 5,25 14,20 0.22 0,07 0,0095 0,040

Картофель (клубни) 2к 4,48 11.20 0.19 0,12 0,0072 0.027

НСР 0,5 1,32 3,22 0,18 0,07 0.008 0,26

МДУ 30 50 5,0 0,3 0,05 0,5

Относительную устойчивость к загрязнению мышьяком проявляли такие овощные культуры как капуста, картофель, томат и ягодные культуры, представленные смородиной и сливой. В условиях загрязнения почв мышьяком и ТМ необходим постоянный контроль их содержания в продовольственной части урожая этих растений, а также осуществление комплекса мероприятий по снижению доступности изученных токсикантов.

5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМАТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ

5.1. Экономическая эффективность

Нами установлено что, внесение в почву перепревшего подстилочного навоза КРС способствует детоксикации загрязненных почв, что является предпосылкой получения экологически безопасных продуктов растениеводства.

Экономическая эффективность приема внесения органических удобрений на техногенно загрязненных почвах, где выращивался картофель, была рассчитана на основе зональных научно-обоснованных технологических карт.

В расчетах использовались рыночные цены стоимости внесения органических удобрений (1000 руб./т) и стоимости картофеля (25 руб./кг).

Себестоимость картофеля оказалась выше рыночной стоимости, что привело к отрицательным показателям экономической эффективности возделывания картофеля, снижению рентабельности его производства. Возделывание картофеля по предлагаемой технологии приводит к убыткам (табл.

7)-

Таблица 7 — Экономическая эффективность возделывания картофеля при внесении различных

доз органических удобрений

Показатели Доза органических удобрений, т/га НСР 0,5 Увеличение (+) Уменьшение (-)

150 300

Урожайность товарной продукции, т/га 12,0 20,0 2,5 +8,0

Затраты на I га, тыс. руб. 348,9 575,2 - +226.3

Себестоимость 1т, тыс. руб. 29,0 28,7 - -0,3

Выручка от реализации (25 руб./кг),тыс. руб. 300,0 500,0 - +200,0

Условно чистый доход, тыс. руб. -48,9 -75,2 - -26,3

Окупаемость затрат, % 86,0 87,0 - + 1

В этой связи нами предлагается выделение дополнительных финансовых средств из областного и федерального бюджетов на решение экологических проблем МО г. Свирск.

5.2. Энергетическая эффективность

ДПП, как правило, сопровождается ростом энергозатрат, поэтому одной из актуальных экологических проблем земледелия МО г. Свирск является разработка и обоснование энергосберегающих приемов и технологий возделывания и использования картофеля.

Нами был произведен расчет энергетической эффективности возделывания картофеля при внесении различных доз органических удобрений согласно методическим указаниям «Энергетическая оценка агроэкосистем» (Хуснидинов, 2008). Результаты расчетов приведены в таблице 8.

Расчеты энергетической эффективности показали, что применяемые технологии выращивания картофеля с применением высоких доз органических

удобрений экологически оправданы. Коэффициент энергетической эффективности в изучаемых вариантах опыта был выше единицы.

Таблица 8 - Энергетическая эффективность возделывания картофеля при внесении различных _____ доз органических удобрений_

№ п/п Arpo экосистем а Выход энергии, ГДж/га Затраты совокупной энергии, ГДяс'га Энергетическая эффективность

1 Картофель-картофель (при внесении орг. уд. 150 т/га) 246,6 168,2 1,57

2 Картофель-картофель (при внесении орг. уд. 300 7/га) 511,7 294,2 1,73

ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований выявлено значительное загрязнение почвенного покрова в МО г. Свирск мышьяком на уровне 43 ОДК, связанное с деятельностью бывшего АМЗ и свинцом - на уровне 5 ПДК - в результате промышленных выбросов аккумуляторного завода «Востсибэлемент», отмечалось загрязнение почв медью, цинком и никелем. Выявлена значительная пространственная изменчивость загрязнения почв МО г. Свирск мышьяком и ТМ. Степень загрязнения была обусловлена месторасположением участков отбора почвенных проб.

2. Освоение и окультуривание почв способствовали их детоксикации. Целинная почва (участок 4) в большей степени была загрязнена мышьяком и ТМ в сравнении с окультуренной почвой (участок 1). В результате проведенных исследований выявлена способность органического вещества почвы к интенсивному поглощению и накоплению мышьяка и ТМ. При систематическом длительном применении перепревшего навоза КРС происходило снижение загрязнения как почвенного, так и растительного покрова. В почвах, на которых систематически вносились органические удобрения, отмечалось снижение содержания мышьяка и свинца.

3. Установлена эффективность фитоэкстракции как приема, снижающего степень загрязнения почвенного покрова. Большей накопительной способностью по отношению к мышьяку отличалась люцерна посевная (Medicago sativa), которую можно рекомендовать в качестве фиторемедианта. Люцерна посевная отличаются высокой продуктивностью зеленой массы и хорошо развитой корневой системой, что будет способствовать ускорению процесса фитоэкстракции. Выявлены растения -толеранты, которые в условиях загрязнения среды произрастания проявляли устойчивость к накоплению ТМ в концентрациях выше ПДК. Относительно устойчивыми к мышьяковому загрязнению оказались такие культуры, как капуста (Brassica oleráceo), картофель {Solanum tuberosum), томат (Solanum lycopersicum) и плодово-ягодные кустарники (смородина черная - Ribes nigrum , слива домашняя - Prunus domestica).

4. Пахотный слой освоенных и используемых почв оказался более загрязненным в сравнении с подпахотным, что связано с продолжающимся

поступлением поллютантов при атмосферном загрязнении. Освоение и окультуривание почв, внесение органических удобрений, использование фитоэкстракции способствовали ускорению процесса очищения почвы от мышьяка и ТМ, а возделывание растений-толерантов - получению экологически безопасной растениеводческой продукции.

5. Расчеты экономической и энергетической эффективности показали, что применение высоких доз органических удобрений с позиции стоимостных показателей в условиях региона не оправданы, однако с точки зрения экологии этот технологический прием способствует сохранению плодородия почв и детоксикации ТМ и мышьяка. Экологический эффект лежит в основе производства экологически безопасных продуктов питания и реабилитации проживающего в МО г. Свирск населения.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. В условиях техногенного загрязнения природной среды МО г. Свирск Иркутской области необходим постоянный мониторинг степени загрязнения почвенного и растительного покрова.

2. С целью детоксикации почвенного покрова техногенно загрязненной территории г. Свирска, рекомендуется прием фитоэкстракции. В качестве растения фиторемедианга нами предлагается люцерна посевная {Medicago saliva).

3. Для получения экологически безопасной продукции на приусадебных участках в г. Свирске рекомендуется выращивать растения-толеранты, которые не накапливают в хозяйственно-полезной части урожая загрязнители выше допустимых уровней. К ним относятся капуста (Brassica oleráceo), картофель (Solanum tuberosum), томат (Solanum lycopersicum) и плодово-ягодные кустарники (смородина черная - Ribes nigrum , слива домашняя - Prunus domestica).

4. Не рекомендуется выращивать на загрязненных почвах г. Свирска не устойчивые к мышьяковому загрязнению культуры, такие как чеснок {Allium sativum), зеленые овощи (лук - Allium, укроп - Anethum graveolens, салат - Lactuca sativa), огурец (Cucumis sativas), свекла {Beta vulgaris), морковь {Daucus carota), горох {Pisum).

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в рецензируемых научных журналах, рекомендованных

ВАК

1. Хуснидинов Ш.К. Транслокация тяжелых металлов в экосистемах МО г. Свирск / Ш.К. Хуснидинов, Т.Н. Сосницкая, М.В. Бутырин, Р.В. Замащиков // Вестник ИрГСХА. - Иркутск. - 2014. - №60 - С. 24-31.

2. Хуснидинов Ш.К. Оценка загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами и мышьяком МО г. Свирск Иркутской области / Ш.К. Хуснидинов, Т.Н. Сосницкая, М.В. Бутырин, Р.В. Замащиков // Вестник БГСХА. - Улан-Удэ -2014.-№1(34)-С. 45-50.

3. Сосницкая Т.Н. Влияние длительного систематического применения органических удобрений на снижение уровня загрязнения почв МО г. Свирск Иркутской области / Т.Н. Сосницкая, Ш.К. Хуснидинов, М.В. Бутырин, Р.В. Замащиков ¡1 Мир науки, культуры, образования, Горно-Алтайск. -2014 -№2 (45) -С. 32-38.

Работы, опубликованные в других изданиях

4. Хуснидинов Ш.К. Оценка содержания мышьяка в почвах садоводческих кооперативов г. Свирска / Ш.К. Хуснидинов, М.В. Бутырин, Т.Н. Сосницкая, З.В. Замащиков, Т.Г. Кудрявцева, Е.О. Красикова // Ресурсосберегающие технологии производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции : материалы научно-практического семинара посвященного 75-летию со дня рождения профессора Хуснидинова Ш.К. (27-28 октября 2012 г.) - Иркутск-ИрГСХА, 2011.-С. 35-38.

5. Хуснидинов Ш.К. Сравнительный анализ загрязнения целинных и органогенных почв г. Свирска Иркутской области тяжелыми металлами и мышьяком / Ш.К. Хуснидинов, Т.Н. Сосницкая, М.В. Бутырин // материалы научно-практического семинара, посвященного «Дню аспиранта ИрГСХА» (26.02. 2013 г) - Иркутск-ИрГСХА, 2013.-С. 125-128.

6. Хуснидинов Ш.К. Оценка загрязнения целинных и окультуренных почв г. Свирска Иркутской области тяжелыми металлами и мышьяком / Ш.К. Хуснидинов, Т.Н. Сосницкая, М.В. Бутырин, Р.В. Замащиков // Экологическая безопасность и перспективы развития аграрного производства Евразии : материалы международной научно-практической конференци, посвященной 60-летию аспирантуры ИрГСХА (3-5 декабря 2013 г.). Часть II - Иркутск: ИрГСХА 2013.-С 102-106.

7. Сосницкая Т.Н. Фиторемедиационная способность многолетних трав на техногенно загрязненных почвах МО г. Свирск Иркутской области /' Т.Н. Сосницкая, Ш.К. Хуснидинов, М.В. Бутырин, Р.В. Замащиков И Современные проблемы и перспективы развития АПК : материалы региональной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГБОУ BIIO ИрГСХА (25-27 февраля 2014 г.). Часть I - Иркутск: ИрГСХА, 2014.-С. 168-173.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР№ 070444 от 11.03.98 г. Подписано в печать 18.02.2014 г. Тираж 50 экз.

Издательство Иркутской государственной сельскохозяйственной академии 664038, Иркутская обл., Иркутский р-н, пос. Молодежный

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Сосницкая, Татьяна Николаевна, Иркутск

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ ФГБОУ ВПО «ИРКУТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» АГРОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

04201457669 (¡О&ьмеу/^

СОСНИЦКАЯ Татьяна Николаевна

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ Г. СВИРСКА ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ: ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И ДЕТОКСИКАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Специальность 03.02.08 - «экология»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

Доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Ш.К. Хуснидинов

Иркутск - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Токсические свойства тяжелых металлов и мышьяка..............................8

1.2. Протекторные свойства почв по отношению к тяжелым

металлам и мышьяку..............................................................................15

1.3. Реакция растений на степень загрязнения почв тяжелыми

металлами и мышьяком.................................................................21

1.4. Устойчивость и степень поглощения тяжелых металлов и мышьяка растениями: растения - толеранты и растения - «аккумуляторы»............24

1.5. Особенности загрязнения природной среды и мероприятия

по устранению экологической катастрофы в МО г. Свирск.............................37

2. АБИОТИЧЕСКИЕ И ЭДАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Абиотические условия...................................................................51

2.2. Эдафические условия...................................................................55

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Объекты исследований.................................................................58

3.2. Методы отбора почвенных и растительных образцов...........................61

3.3. Методы исследований..................................................................61

3.4. Методика оценки степени опасности загрязнения почвы для здоровья населения и миграционной способности токсикантов

в системе почва-растения...............................................................62

4. ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И МЫШЬЯКОМ В МО Г. СВИРСК И ПРИЕМЫ ИХ ДЕТОКСИКАЦИИ

4.1. Оценка загрязнения почвенного покрова МО г. Свирск

тяжелыми металлами и мышьяком и состояния здоровья населения..............................................................................64

4.2. Степень детоксикации загрязненных почв в результате

их освоения и окультуривания....................................................71

4.3. Изменение содержания тяжелых металлов и мышьяка в почве и растениях в результате систематического применения органических

удобрений.............................................................................78

4.4. Особенности накопления тяжелых металлов и мышьяка различными видами растений......................................................82

5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

СИСТЕМАТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ

5.1. Экономическая эффективность..............................................97

5.2. Энергетическая эффективность.............................................99

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ........................................................101

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..............................................................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................105

Приложение 1 - Принципиальная схема оценки почв сельскохозяйственного использования, загрязненных

химическими веществами....................................................................126

Приложение 2 - Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве и допустимые

уровни их содержания по показателям вредности.....................................127

Приложение 3 - Ориентировочная оценочная шкала

опасности загрязнения почв по суммарному показателю (£6)........................127

Приложение 4 - Технологическая карта возделывания картофеля

(валовой сбор 1200 т.).........................................................................128

Приложение 5 — Технологическая карта возделывания картофеля

(валовой сбор 2000 т.).........................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований.

Почвенный покров Муниципального Образования (МО) г. Свирск Иркутской области подвержен мышьяковому и свинцовому загрязнению. Загрязнение мышьяком явилось следствием деятельности Ангарского металлургического завода (АМЗ) в г. Свирске, производящего мышьяк для нужд оборонной промышленности СССР в 1934-1949 годах (Баранова, 2007; Пшонко, 2009), а свинцовое загрязнение - следствием работы аккумуляторного завода действующего с 1941 года по настоящее время.

В последние годы (2011-2013 гг.) очень большое внимание уделяется проблемам ликвидации очага загрязнения, определению границ и степени загрязнения ОПС МО г. Свирск мышьяком. После выделения финансовых средств из федерального бюджета в 2013 году за пределы г. Свирска были вывезены разрушенные цеха, отходы производства АМЗ и зараженная почва. Несмотря на ликвидацию очага загрязнения, необходимость детоксикации почвенного покрова зараженной территории актуальна. Однако технологические решения проблемы детоксикации ТМ и мышьяка и производства экологически безопасной продукции пока не разработаны.

На землепользовании МО г. Свирск созданы и функционируют 9 садово-огородных кооперативов, где жители города для собственных нужд выращивают плодоовощную продукцию и картофель, которые в разной степени загрязнены ТМ и мышьяком.

Для детоксикации почв в настоящее время рекомендуются разнообразные физические, химические и биологические приемы. В связи со спецификой загрязнения ОПС МО г. Свирск, проблема детоксикации почв и производства экологически безопасной продукции требует комплексного решения, включающего мониторинг степени загрязнения почв и растений, фрезерную обработку почвы при их освоении и окультуривании, внесение

компостированных органических удобрений, фитоэкстракцию ТМ и мышьяка за счет возделывания специальных растений-фитоаккумуляторов и выращивание растений-толерантов, которые в условиях загрязнения обеспечивают получение экологически безопасной продукции. Однако эти технологические решения в условиях региона остаются слабо изученными. Цель.

Снижение уровня загрязнения почвенного и растительного покрова МО г. Свирск и получение экологически безопасной продукции растениеводства. Задачи:

1. Оценить уровень загрязнения почвенного и растительного покрова МО г. Свирск и состояние здоровья населения;

2. Изучить степень детоксикации почв в результате их освоения и окультуривания;

3. Дать оценку влияния длительного применения органических удобрений на снижение степени загрязнения почв;

4. Произвести оценку толерантности и кумулятивности сельскохозяйственных растений на загрязненных мышьяком и свинцом почвах;

5. Рассчитать эколого-экономическую эффективность применения органических удобрений как приема снижения уровня загрязнения сельскохозяйственных растений.

Научная новизна.

Впервые в условиях региона проведено комплексное изучение уровня загрязнения почвенного и растительного покрова и дана оценка состояния здоровья населения МО г. Свирск. Изучен комплекс мероприятий по детоксикации ТМ и мышьяка и производства экологически безопасной продукции растениеводства в результате их освоения и окультуривания, длительного применения органических удобрений. Изучена экологическая эффективность растений - фиторемедиантов и разработаны технологии фитоэкстракции техногенно загрязненных мышьяком почв. В условиях техногенного загрязнения с

целью получения экологически безопасной продукции произведена оценка толерантности (устойчивости) растений. Практическая значимость.

Предложена технология детоксикации почвенного покрова за счет систематического применения органических удобрений и снижения загрязнения почв в результате их освоения и интенсивной обработки, определены сельскохозяйственные растения, отличающиеся толерантностью (устойчивостью) к загрязнению среды МО г. Свирск мышьяком и свинцом, - выявлены растения, обладающие кумулятивными свойствами, рекомендуемые для фитоэкстракции -приема постепенного извлечения, отчуждения и очистки почв от загрязнителей.

Материалы исследований могут быть использованы для разработки «

технологий по получению экологически безопасной продукции. Защищаемые положения:

1. Оценка уровня загрязнения почвенного и растительного покрова МО г. Свирск мышьяком и свинцом и состояние здоровья населения.

2. Детоксикация загрязненного почвенного покрова и получение экологически безопасной продукции растениеводства достигается при окультуривании почв, внесении органических удобрений, фитоэкстракции и использовании потенциала толерантных растений.

Апробация.

Основные результаты исследований были доложены на: Всероссийском научно-практическом семинаре «Ресурсосберегающие технологии производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции» (Иркутск, 2011); Научно-практическом семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА» (Иркутск, 2012), Международной научно-практической конференции молодых ученых (Иркутск, 2012), Научно-практическом семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА» (Иркутск, 2013), Международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» (Иркутск, 2013), Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию аспирантуры ИрГСХА «Экологическая безопасность и

перспективы развития аграрного производства Евразии» (Иркутск, 2013), Региональной научно-практической конференции с международным участием, посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО ИрГСХА «Современные проблемы и перспективы развития АПК» (Иркутск, 2014). Публикации.

По результатам исследований опубликовано 8печатных работ. Личный вклад.

Автор принимала непосредственное участие в разработке программы и методики исследований, проведении полевых и лабораторных исследований, обработки результатов исследований и подготовки диссертации к защите.

Автор выражает благодарность научному руководителю - д.с.-х.н., профессору Ш.К. Хуснидинову за всестороннюю помощь и поддержку в проведении диссертационного исследования и консультации при работе над диссертацией, а также директору ФГБУ «ЦАС «Иркутский» М.В. Бутырину за содействие в проведении лабораторных исследований и коллективу отдела агроэкологического анализа почв, растениеводческой продукции и агрохимикатов ФГБУ «ЦАС «Иркутский» за помощь в проведении аналитический работ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Токсические свойства тяжелых металлов и мышьяка

ТМ - группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см . Этот термин заимствован из технической литературы, в которой металлы классифицируются на легкие и тяжелые. Для биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, то есть считать тяжелыми металлы с атомной массой более 40 (Большаков, 2002).Класс опасности химического элемента определяется канцерогенностью соединений элемента, прямо пропорционален атомной массе элемента и растворимости в воде его неустойчивых соединений и обратно пропорционален предельно допустимой концентрации (ПДК) элемента в почве. К высоко опасным относятся Аб, Сс1, Щ, 8е, РЬ и Хп, умерено опасным - Со, Мо, Си, Сг и 8Ь, малоопасным - Ва, V, Мп и Бг (Водяницкий, 2009).

Есть жизненно необходимые металлы для организмов. Например, цинк, железо, марганец, медь и др. Они присутствуют в теле животных и растений в ничтожно малых количествах и необходимы им в биохимических процессах (Глобальные ..., 2001). Они выполняют в тканях весьма ответственную роль катализаторов жизненно важных процессов. Когда же ТМ поступают в организм в избыточном количестве в качестве техногенных загрязнителей внешней среды, они могут накапливаться и вызывать токсические эффекты (Трахтенберг, 1994).

ТМ делятся на две группы — «токсические» и микроэлементы, используемые в малых количествах в сельском хозяйстве (Варламов, 2000).

Таким образом, понятие «тяжелые металлы» во многом совпадает с понятием «микроэлементы». Но для повышенной концентрации этих элементов

термин «микроэлементы» не пригоден, в таких случаях применяют термин «тяжелые металлы» (Ильин 1982; Большаков, 2002).

Токсическими называют металлы, которые не являются ни жизненно необходимыми, ни благотворными и даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических функций (Николаева, 2009).

Металлы вообще и в особенности ТМ, крайне токсичны для клеток. Среди этой категории свинец, мышьяк, ртуть принадлежат к числу давно известных ядов (Бузмаков, 2005).

В рекомендациях ЮНЕП наиболее опасными тяжелыми элементами считаются Сс1 иАб.

Особо токсичные ТМ (Н§, Сс1, РЬ, Аб, Бг, Си, Хп, Бе) включены в перечень веществ, подлежащих контролю при международной торговле пищевыми продуктами (Вяйзенен, 2011).

Рост концентрации ТМ в окружающей среде (ОС) способствует увеличению их содержания во всех компонентах экосистем (Халитов, 2004).

Поступление ТМ в ОС оказывает негативное воздействие на почвы и растения и представляет угрозу для здоровья человека (Воробьев, 2006).

Организм реагирует на поступления ТМ аккумуляцией высоких концентраций загрязнителя и изменениями в процессах метаболизма (Ковальчук, 2002). Избыточное поступление ТМ в живые организмы нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие (Лозановская, 1998).

Вопросы, связанные с уровнем загрязнения ТМ природной среды в районах расположения крупных промышленных предприятий и городов, давно находятся в центре внимания исследователей (Кузнецова, 2009).

Токсическое действие ТМ может быть прямым и косвенным. При прямом воздействии у организмов блокируются ферменты. К косвенному воздействию относится перевод биогенных элементов в недоступное состояние (Груздева, 2010).

ТМ всасываются в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ), встраиваются в ферментные системы, физиологические процессы вместо жизненно необходимых

макро и микроэлементов (особенно активно при их недостатке), приводя к нарушению деятельности соответствующих физиологических систем (Минина, 2000).

Молекулярными мишенями, то есть объектами атаки ионов тяжелых металлов, служат:

- гемсодержащие белки и ферменты;

- системы перекисного и свободнорадикального окисления липидов и белков, а также системы антиоксидантной и антипероксидантной защиты;

- ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты);

- белки клеточных мембран и ионные каналы мембран (Ложнеченко, 2008).

Ряд ТМ обладает кумулятивным эффектом и канцерогенным действием. К

их числу относятся свинец, кадмий и др. (Коваленко, 1997).

Мышьяк - полуметалл. В природной среде он может встречаться в четырех

о г\ л I с

типичных степенях окисления Аэ ",Аз ,Аз ,Аб Наиболее часто в природной среде встречается пятивалентный мышьяк в виде аниона Н2А804 и трехвалентный как соединение НзАбОз, которые преобладают в редукционных условиях с низкимРЬ.

Являясь элементом переменной валентности и находясь в периодической системе на границе металл-неметалл, мышьяк обнаруживает свойства, характерные как для металлов, так и для неметаллов. Поэтому биогеохимические характеристики мышьяка весьма различны в биологических процессах и экологических системах (Зверев, 2001).

Мышьяк - высокотоксичный элемент, содержащийся во всех объектах окружающей среды. В естественных условиях мышьяк поступает в окружающую среду при извержении вулканов и ветровой эрозии почв. Существенную роль в загрязнении мышьяком объектов окружающей среды играют: добыча и переработка руд и минералов; пирометаллургия и производство серной кислоты; синтез и использование мышьяксодержащих пестицидов, антисептиков и реагентов.

Содержание мышьяка в почвах фоновых районов составляет 0,3-12,9 мг/кг. В почве он аккумулируется в пахотном слое, мигрируя на глубину 60 см (Черников, 2009).

Более высокое содержание мышьяка характерно для черноземов и серых лесных почв, низкие - преобладают в почвах тундры и подзолистых. Для всех почв, кроме тундровых, проявляется тенденция к увеличение содержания мышьяка в верхних горизонтах почв, что указывает на поступление мышьяка с растительными остатками. Среднее содержание мышьяка в почвах мира составляет 5 мг/кг.

Находящиеся в почве соединения мышьяка легкорастворимы, особенно в кислой среде. Все растворимые соединения мышьяка сильно токсичны (Нейтрализация загрязненных почв, 2008).

Пятивалентный мышьяк менее ядовит, чем трехвалентный, так как он в 4-10 раз менее растворим (Черников, 2009).

Мышьяк (тиоловый яд) взаимодействует с тиоловыми группами белков: цистеином, глутатионом, липоевой кислотой, нарушая обмен серы, селена, фосфора.

Мышьяк накапливается в печени, почках, селезенке, легких, стенке пищеварительного тракта. Основное депо мышьяка - эритроциты и селезенка. Мышьяк долго сохраняется в костях и волосах.

При вдыхании пыли мышьяковых соединений происходит раздражение глаз и слизистых оболочек дыхательных путей, слезотечение и резь в глазах, покраснение конъюнктивы, набухание слизистой носа, насморк, чихание, кашель и иногда кровохаркание. При более тяжелых отравлениях к этим симптомам добавляются желудочно-кишечные расстройства: