Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-гигиеническая оценка миграции и транслокации тяжелых металлов в рекультивированных почвах при угледобыче (натурные и экспериментальные исследования)

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-гигиеническая оценка миграции и транслокации тяжелых металлов в рекультивированных почвах при угледобыче (натурные и экспериментальные исследования)"

РГ6

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ ОД УКРАИНСКИЙ НАУЧНЫЙ ГИГИЕНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР

о з иьи .у.\

На правах рукописи

ШЕВЧЕНКО Алогссандр Анатольевич

агаЛОГО-ГНГШШЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МИГРАЦИИ И ТРАНСЛОКАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ »СТАНОВ В РЕКУЛЬТИВИРОВАННЫХ ПОЧВАХ ПРИ УГЛЕДОБЫЧЕ С Натур« ив и экспериментальные исследования)

03.00.16. - ЭКОЛОГИЯ (медицинские науки)

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА МЕДИЦИНСКИХ НАУК

Клев - 1994

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Днепропетровском государственной медицино-ком институте.

Научные руководители:

доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент УЗАН ■ Э.А.Деркачев;

доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент АН и

АМН Украины И.М.Трахтенберг

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Н/4-Попович;

.доктор медицинских наук, профессор О.И.Волощенко

Ведущее учерехдение - Донецкий государственный медицинский институт им. А.М.Горького

•Защита диссертации состоится ". ...... 10оЖ.

в .часов на заседании специализированного совета Д.01.37.01. при Украинском научномигигиеническом Центр.е Минздрава Украины, 253660, КИЕВ-94, ул. Попудренко, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Киевского НИИ Общей и коммунальной гигиены им. А.Н.Марзеева по адресу: 263660, КИЕВ-04, ул. Попудренко, 50.

Автореферат разослан

». ......

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат медицинских наук

Б.Е.Селезнев

ОБЩАЯ ХАРКТЕРИОТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время проблема взаимодействия созданной человеком технической цивилизации и окружающей среды приняла глобальные масштабы и встала в ряд приоритетных задач, от решения которых во многом зависит будущее человечества. Несмотря на то, что в ряде регионов, особенно на севере Европы, наметилась тенденция к улучшению качества окружающей среды, во многих странах были отмечены негативные последствия загрязнения воздуха, воздействия на людей химических веществ, загрязнения почвенных и водных ресурсов, безопасности продуктов питания, воздействия биологических факторов (Окружающая среда и охрана здоровья. Европейская хартия и комментарии. Копенгаген, Европейское региональное бюро, 1090 ). Наиболее наглядно эти процессы проявились в атмосфере и гидросфере, изучению загрязнения которых были посвящены многие исследования последних десятилетий. В тоже время загрязнение верхнего слоя литосферы - почвы, оставалось, по ряду причин, менее изученным. Вопросы загрязнения почвы веществами техногенного происхождения (тяжелыми металлами, пестицидами, минеральными удобрениями, нитратами и др.) получили развитие . в частности, в работах Киевской школы акад. Е.И.Гончарука (Е.И.Гон-чарук ,1089,1960,1991). Однако, как подчеркивается многими исследователями (В.А.Ковда,1985: O.Wong et al.,1989; П.Н.Линник,1989; А.П.Красавин ,1991 .), изучение изменения качества почвы должно интенсифицироваться и носить комплексный характер, поскольку в условиях длительного ее загрязнения экзогенными химическими веществами, и, в первую очередь, тяжелыми металлами, они способны перераспределяться в грунтовые и поверхностные воды, накапливаться почвенной микробиотой и растениями (В.Б.Ильин.1991), включаясь в трофические цепи человека и животных.

Особую актуальность данная проблема приобретает в условиях крупных промышленных регионов Украины , характеризующихся дефицитом земельных ресурсов и значительным загрязнением .плодородного слоя почвы как аэрогенным путем, так и непосредственно - при складировании битовых и промышленных отходов. Особенно значительно количество таких отходов в добывающих отраслях и их влияние на почву должно иметь первоочередную гигиеническую оценку с целью разработки наиболее безопасных и эффективных способов утилизации ( И.Г.Важенин,1989; Е.И.Гончарук,1989; А.П.Красдл///1091). Важность изучения отмеченных вопросов подтверждается тем, что в Ук-

раине, и, в частности, в крупнейшем по промышленному потенциалу и уровню деградации окружающей среды Донецко-Приднепровском регионе, около 70% тепловой и электрической энергии вырабатывается на ТЭЦ. путем сжигания ископаемых видов топлива, среди которых значительную долю занимает уголь. Отвальные шахтные породы и отходы углеобогащения являются значительным источником подвижных соединений тяжелых металлов, нанося основной урон почвенному покрову и опосредовано негативно влияя на качество грунтовых вод и химический состав растений.

В связи с этим крайне важна разработка и осуществление ряда эколого-гигиенических, проектных, технологических и других мероприятий, направленных, на оздоровление окружающей среды в районах размещения предприятий угольной промышленности. Одним из таких мероприятий является рекультивация нарушенных земель. Изучение ее технологии, агро-химических и arpo-биологических особенностей рекультивированных почв в последнее время было дополнено исследованиями возможного их влияния на здоровье человека как непосредственно, так и черев воду и продукты питания ( М.Я.Шелюг,1986; 0.В.Мельник,1987; Э.А.Деркачев,1991). Этот вопрос не потерял сро-ей актуальности, поскольку опыт, накопленный в Украине и других странах, показывает, что не всегда экологические мероприятия ведут к восстановлению пригодных для использования объектов среды и без дополнительной оценки и четкого регламентирования искусственно воссозданные почвы и водоемы могут служить дополнительным источником опасных поллютантов - тяжелых металлов, представляющих немалую опасность для здоровья человека. Вышесказанное,.,обусловило необходимость исследований с целью изучения гигиенических аспектов рекультивации нарушенных земель и, в частности, оценки возможного негативного влияния тяжелых металлов на объекты среды и здоровье человека.

Пелью настоящей работы явилась эколого-гигиеническая оценка миграции и транслокации тяжелых металлов в рекультивированных почвах при угледобыче и разработка рекомендаций, направленных на ограничение загрязнения почв и продуктов питания растительного происхождения. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Изучить перспективу раэвития угледобывающего комплекса Западного Донбасса, основные направления негативного воздействия угледобычи на окружающую среду и дать эколого-гигиеническую оценку планируемых и осуществляемых мероприятий по ее охране.

-32. Исследовать особенности миграции тяжелых металлов в систе-'ме "шахтная порода - рекультивированные почвы - растения" в зависимости от физико-химических свойств шахтных пород, интенсивности протекания процессов современного выветривания и различных стратификационных схем рекультивированных участков.

3. Установить особенности транслокации тяжелых металлов в сельскохозяйственные культуры для различных почвенных условий.

4. Разработать интегральный индекс оценки степени опасности загрязнения рекультивированных почв тяжелыми металлами.

5. Дать оценку безопасности и безвредности растений - продуктов питания, выращенных на рекультивированных почвах ( на основании результатов токсико-гигиенических исследований с использованием различных тест-объектов).

6. Обосновать комплекс эколого-гигиенических мероприятий по применению оптимальных направлений рекультивации и перечень реко1-мендуемых для выращивания растений - продуктов питания человека и животных.

Научная новизна работы. Неучены закономерности миграции специфических загрязнителей - тяжелых металлов в рекультивированных н естественных техногенно загрязненных почвах в районах интенсивного техногенного воздействия угледобывающих предприятий. Предложен интегральный индекс для оценки степени опасности тяжелых металлов в рекультивированных и ненарушенных почвах, базирующийся на их физико-химических, фито- и биотоксических свойствах. Изучены искусственно воссозданные неоднородные почвогрунты с точки зрения особенностей их воздействия на подвижность водорастворимых форм тяжелых металлов. Установлены закономерности выноса микроэлементов из отвальных шахтных пород в зависимости от их физико-химических сеойств и интенсивности протекания процессов современного выветривания. Установлены транслокационные характеристики различных тяжелых металлов в условиях почв, подвергающихся комплексному техногенному воздействию через подстилающие шахтные породы' и атмосферный воздух. Показана принципиальная возможность использования одноклеточных микроорганизмов ТесгаЬут-эпа руг1р1гогт1з для экспрессной оценки токсичности растительных продуктов питания с рекультивированных участков. Установлена степень влияния продуктов растительного происхождения с рекультивированных почв на физиологические, биохкмимческке, иымуннологические, монологические пслзатели Селях крыс. Научно обоснована эколо-го-биологическая необходимость гжранируюаих прослоек между перо-

дой и плодородным слоем почвы при выращивании растений - продуктов питания человека и животных. Предложен ряд необходимых мероприятий в процессе создания и эксплуатации рекультивированных участков для повышения их медико-биологической надежности при выращивании сельхозрастений.

Практическая значимость работы. Материалы диссертации были использованы при разработке технико-экономических проектов по защите окружающей среды от воздействия горнорудных предприятий институтом "Днепрогипрошахт". ряда пректов ОВОС для угольных шахт объединения "Свердловантрацит" Днепропетровским Институтом геотехнической механики. Институтом экологических технологий Донбасса. Рекомендации, изложенные в работе, используются объединением "Павлоградуголь" при проведении рекультивации земель, в научно-практических работах Днепропетровского Государственного университета и Депропетровского Государственного аграрного университета. а также при осуществлении предупредительного и текущего санитарного надзора санэпидслужбами Днепропетровской и Донецкой областей.

- Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на региональной научно-практической конференции "Проблемы рационального использований и охраны водных ресурсов бассейна нижнего Днепра" (Днепропетровск, 1990); республиканской конференции "Биотехнология получения кормового белка, экологически чистых препаратов, повышающих урожайность премиксов, ферментов и витаминов кормового назначения"- (Днепропетровск, 1990),; республиканской научной конференции "Эколого-гигиенические проблемы питания населения" (Киев, 1992); конференции молодых ученых и специалистов Днепропетровского медицинского института (Днепропетровск, 1993); 1-ом Международном симпозиуме "Зооиндикация и экотоксикология животных в условиях техногенного ландшафта" (Днепропетровск, 1993); международной конференции " Биоэкологические и горнотехнические проблемы рекультивации нарушенных земель и повышение их продуктивности" (Днепропетровск, 1993).

Основные положеня, выносимые на защиту:

1. При использовании отвальных шахтных пород и отходов углеобогащения для целей рекультивации из них в почву вымывается ряд тяжелых металлов, характер распределения которых по почвенному профилю вависит от-стратификации перекрывающих почвогрунтов.

- 5 - ..

2. Скорость и объемы выщелачивания тяжелых металлов прямопро-'порциональны интенсивности процессов современного выветривания в породах.

3. Уровни транслокации микроэлементов в растения иэ рекультивированных и ненарушенных региональных почв достоверно не отличаются.

4. Растения, полученные на рекультивированных, почвах, не оказывают выраженного повреждающего действия на организм теплокровных животных, а имеющие место транзиторные изменения иммунологических, физиологических и биохимических показателей находятся в пределах регуляторных возможностей организма.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 173 страницах машинописи и состоит из введения, обзора литературы, главы, посвященной материалам и методам, четырех глав собственных исследований, заключения, выводов, списка использованной -литературы и приложений. Работа проиллюстрирована 26 таблицами и 25 рисунками. Библиография включает 202 зарубежных и отечественных источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объекты, объем и методы исследований. В основу настоящей работы была положена комплексная программа экспериментальных и натурных исследований по изучению объектов окружающей среды в районе добычи и переработки каменного угля ( Западный Донбасс, п/о "Павлоградуголь" ). проведенных нами в 1989-1932 годах. Объектами наблюдения явились углевмещающие и вскрышные шахтные породы региона. участки ландшафта, подвергшиеся техногенному нарушению и последующей рекультивации, сельскохозяйственные растения - продукты питания человека и животных, выращенные на рекультивированных и ненарушенных землях с целью изучения закономерностей перераспределения поллютантов (тяжелых металлив) в системе "порода -почва - растение - организм теплокровных животных" в зависимости от различных привходящих факторов.

Проведено изучение процессов современного выветривания шахтных пород и выщелачивания из них солей и микроэлементов, дана гигиеническая характеристика разлотных типов насыпных грунтов, контактирующих с шахтной породой на участках рекультивации, изс-к-до--

вано качество выращиваемых растений с оценкой уровня их токсикологической безопасности. В работе использованы современные гигиенические. физические, химические, биохимические, микробиологические, . иммуннологические и статистические методы исследования, которые применялись как для натурных исследований, так и в ходе модельного эксперимента. Отвальные породы отбирались посезонно (весна.лето,осень) из скважин, шурфов и непосредственно на участках рекультивации на глубинах от 0,3 до 1,5 метра. При этом учитывалось значительное разнообразие рекультивированных ландшафтов и стратификационные характеристики участков. Кроме того, отбирали пробы свежих шахтных пород и отходов углеобогащения иэ неперекры-тых отвалов. Изучалась кислотность породы, валовое содержание в ней тяжелых металлов (железа, марганца, никеля, хрома, кадмия, кобальта, цинка, свинца, меди), а также их водорстворимый комплекс методом последовательных водных вытяжек бидистиллированной водой. Определение концентраций металлов проводили при помощи атомно-абсорбцконной спектрофотометрии на приборе AAS-1N (ГДР) в соответствии« с рекомендациями И.Хавеаова, Д.Цалева (1983). Отбор проб почвы с различных участков рекультивации на глубинах 0-20 см. 20-40 см и в слояд. непосредственно прилегающих к подстилающей шахтной породе, проводили ежемесячно с апреля по сентябрь согласно ГОСТ 17.4.4.02-84 "Охрана природы. Почва. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализов". При выборе объектов наблюдения было учтено не связанное с рекультивацией антропотехногенное воздействие на почву, характерное для региона. Изучали показатели, оказывающие наиболее активное влияние на подвижность микроэлементов почвы - влажность и активную реакцию (Е.В.Аринушкина,1970; А.С.Рядов с соавт..1985) и валовое содержание в почве хрома, марганца, желе. за, никеля, меди, цинка, кадмия, свинца. Пробы для исследований готовили по И.Г.Важенину (1974), с последующим использованием метода атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Определение ванадия в почве проводили фотометрическим методом на фотокалориметре КФК-2 (ПДК химических веществ в почве. Методы определения. МЗ СССР. N 2546-82. - М.. 1982). мышьяка методом Гутцайта с последующим фотометрированием на денситометре Д0-1М (А.А.Немодрук,1976; Ю СССР. СанПиН N 42-128-4433-87,- М..1988).

Исследованы продукты питания растительного происхождения 27 наименований . выращеные на рекультивированных и ненарушенных зональных землях на содержание в них комплекса тяжелых металлов

во взаимосвязи с их содержанием в подстилающей породе и пахотном 'слое почвы (методами атомно-абсорбционной спектрофотометрии и плазменной спектроскопии).

Проведена токсикологическая оценка безвредности продуктов питания с испольвованиэм тест- метода и постановкой хронического токсикологического эксперимента на теплокровных животных. Токси-ко-биологическая оценка продуктов питания с использованием в качестве тест-объекта 3-х суточной культуры инфузории Tetrahymena pyrlformls выполнялась согласно рекомендаций Г.С.Яцулы и В.И.Сло-бодкина (1991) и "Методических рекомендаций..." (1987) в модификации Г.М.Лахониной. Зерно пшеницы, используемое для анализа, отбирали с участков рекультивации, имеющих 6 различных стратификационных схем.

Хронический токсикологический эксперимент проводили с использованием 8ерна пшеницы, выращенной на рекультивированных ( 2 стратификационные схемы ) и ненарушенных зональных землях, условно чистых, но подверженных техногенному воздействию предприятий угольной промышленности региона. В качестве экспериментальных животных использовали беспородных белых крыс - самцов, полученных из Киевского питомника лабораторных животных в возрасте 2,5 месяцев со средним весом 104,6±б,4 г. Помимо пшеницы суточный рацион животных всех групп содержал ряд продуктов, необходимых для сбалансированного питания и включающих в себя животный белок, витамины, клетчатку и пр. виде субпродуктов, творога, сырых овощей, кормовда-трав. До начала эксперимента животные были рандомизиро-ваны по весу и общему состоянию в 4 однородные группы по 60 особей в каждой и содержались в режиме карантина 10 суток для возможно более полной адаптации к новым условиям.

Изучение показателей гомеостаза животных проводилось до начала эксперимента и на 14, 30, 60, 90 и 180 сутки с начала затравки. Каждый раз для исследований ''спольвовалось по 10 животных ив 2-х опытных и 2-х контрольных групп. За 48 часов перед забоем у крыс отбирали мочу для исследования и определяли массу тела. Далее животных забивали путем декалитации под легким рфирным наркозом и отбирали для исследований кровь, внутренние органы и шерсть. При этом изучали интегральные и специфические показатели, в частности: количество бедка и мочевины в моче и мочевины в крови (В.Г.Колб, B.C.Калашников,1982); экскрецию хлоридов (В.Г.Колб. 1982); концентрацию сывороточных аланин-и аспартатаминотранефераз ("Инструкция по определению ...",1972); количество эритроцитов и

- в -

гемоглобина в крови, лейкоцитарную формулу ("Методические указания. ,.".1073); концентрацию сульфгидрильных групп в сыворотке крови (Н.В.Аникина. 1983) ; уровень лизоцима в сыворотке крови (А.М.Сухоруков, 1085); бактериальную обсемененность кожных покровов (Н.Н.Клемпарская^ 1066) ; концентрацию тяжелых металлов в органах и шерсти (У.Х.Славин,1971). Для патоморфологического изучения отбирали печень, почки, сердце, желудок, фрагменты тонкого и толстого кишечника из которых, после фиксации в спиртах восходящей крепости, готовили препараты для микроскопирования и фотографирования. Щитовидные железы фиксировали в жидкости Буана. После фиксации в течение 24 часов все образцы проводили по стандартной схеме, включающей обезвоживание в этаноле, удаление спирта с помощью хлороформа и заливку в парафин.

Для обработки полученных количественных морфологических данных • для каждой экспериментальной группы рассчитывали средние арифметические и ошибки средних арифметических. Для сравнения достоверности различий между средними величинами в контрольной и подопытных группах использовали критерий Стьюдента (t). учитывая три уровня значимости (р) - 0,05; 0,01 и 0,001 ( Н.А.Плохинский, 108G; Г.Ф.Лакин,108О )i>

Для изучения концентраций тяжелых металлов в печени, почках, головном мозге и шерсти использовался атомно-абсорбционный спектрофотометр С-115-М1. Для статистической обработки полученных в ходе токсикологического эксперимента результатов применяли методы непараметрической статистики для малых выборок, в частности, -тест Колмогорова-Смирнова. Предварительно был создан банк данных для персональной ЭВМ IBM-PC/AT, статистические рассчеты проводились в программе "STATGRAPHICS", версия - 2.6.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Эколого-гигиеническая оценка процессов миграции тяжелых металлов в системе "шахтная порода - почва" в зависимости от способов и сроков рекультивации. Наиболее важной особенностью стратегии восстановления нарушенных земель в Западном Донбассе является использование в качестве выравнивающего слоя углевмещэющих пород, которые после насыпки и разравнивания перекрываются предварительно снятым плодородным слоем почвы. Таким способом заполняются образующиеся просадки земной поверхности, восстанавливается профиль даади.-4/га, создаются предварительные условия для.дальнейшего ис-1:с.-.ъ&оьанил рекультивированных участков. Такое использование по-

*

■роды вместе с рядом преимуществ несет в себе опасность негативного их влияния ьа сопредельные среды - почву и грунтовые воды и опосредованно - на качество растительных продуктов питания,. что было показано в работах М.Я. Шелюга с соавт.,(1988), А.П.Травлее-ва, (1990), Э.А.Деркачева (1391). Нашими исследованиями и данными ряда других авторов установлено, что основными экологически значимыми компонентами шахтных пород являются водорастворимые соединения тяжелых металлов, которые и следует рассматривать как ведущие специфические загрязнители средовых объектов. Перемещение породной массы из глубоких слоев литосферы на дневную поверхность инициирует в них сложные физико-химические процессы, получившие название современного выветривания. В результате взаимодействия с кислородом воздуха, атмосферной и почвенной влагой и при положительных значениях температуры воздуха в породах происходит окис-, ление сульфидоз, снижение активной реакции рН, из низе вымывается водорастворимая часть основных солей и микроэлементов. Как пока-вали натурные исследования, при использовании шахтной породы в качестве подстилающего слоя на рекультивированных землях, перераспределение основных солей будет проходить в нкхние слои профиля и к центру участков, сопровождаясь умеренным ростом рН до слабощелочных значений с глубиной. Аналогичные результаты были получены и рядом других авторов (Ж.А.Кроик,1093: В.И.Пасичный,'1092). Нами установлено, что искусственно воссозданные почвогрунты с ■ многослойной структурой даже по прошествии 7-10 лет значительно изменяют закономерности распределения микроэлементов, установленные для естественных однородных почв. Концентрации подвижных соединений тяжелых металлов в профиле участков рекультивации в большой степени определяются их стратификацией, т.е. толщиной, качеством и порядком чередования перекрывающих породу почвогрунтов. Степень обогащения плодородного слоя почвы водорастворимыми формами тяжелых металлов зависит от исходного состава породы и экра- . нирующей прослойки, непосредственно ее перекрывающей. На исследовавшемся участке КЧ. где был предусмотрен экран из легких песчаных почв, плодородный елей чернозема не накапливал избыточных концентраций тяжелых металлов. При отсутствии слоя песка (участок N2) распределение большинства металлов имело сходный характер и их концентрирование отмечалось на границе между плодородным слоем и породой, т.е. в зоне питания корней многих видов растений. Наиболее ровные концентрации по площади и глубине участков имели водорастворимые соединения железа, ципка, никеля н свинца. Это го-

ворит о той. что подвижность элемента не является единственной определяющей его распространенности в почве. Большое аначение имеют также интенсивность аэрогенного поступления, валовые концентрации. биогенность и прочее. Полученные результаты дополняют информацию К.Реуцэ (1986) о распространении тяжелых металлов по профилю почвы. "Пятнистый" характер распределения был отмечен у марганца, кобальта, меди, кадмия, хрома, что связано, по всей видимости, с особенностями их динамики между горизонтами и по площади уже после попадания в почву, а также исходными характеристиками породы. При сопоставлении концентраций микроэлементов в ли-тологических разностях участков рекультивации можно заключить, что в подстилающей шахтной породе они в 3-10 раэ больше, чем в перекрывающих почвогрунтах и уменьшаются в ряду Ре > 2п > Мп > РЬ > Со > Си > N1 > Сг > Сс1. Кислые породы представляют наиболее значительный источник микроэлементов для почв рекультивированных участков. Из них в условиях эксперимента вымывается в б раз больше железа, никеля, меди, в 3 раза больше кобальта, хрома, в 2 ра-ва больше цинка, кадмия, свинца, чем из нейтральных или слабощелочных пород. В первый период эксплуатации рекультивированных участков наиболее значителен вынос никеля, хрома и меди. Из лежалых пород вымывается больше железа, марганца, цинка - наиболее распространенных биогенных элементов. Практически одинаковое по времени поступление в сопредельные среды сохраняется у обладающих высокой токсичностью свинца и кадмия.

Сравнивая средние концентрации микроэлементов в региональных почвах и шахтных породах в исходных условиях можно заключить, что концентрации большинства микроэлемент<эв в углевмещзющих'породах сопоставимы с их содержанием в техногенно-загрязненных почвах региона (табл. 1). Речь идет об участках в пределах санитарно-за-щитных зон шахт и породных отвалов, карьеров разработки песка и глин, площадок не регламентированного-складирования вскрышных и отвальных пород, а так же пахотных земель вблизи населенных пунктов и автомагистралей. Заметное количественное преобладание в породах (в 7-10 раз) отмечено только для марганца. Содержание водот растворимых форм наиболее токсичных свинца и кадмия в породе находится на уровне техногенно-аагрязненных естественных почв или даже ниже его. Пробы почвы, отобранные в условно чистых районах региона вне зоны воздействия промышленных источников загрязнения, отличаются заметно меньшим содержанием микроэлементов: для хрома - в 1,2-2,6 раза; марганца - 1,5-10,0 раз; кобальта - 2,0-3,0 ра-

Таблица 1

Количество водорастворимых форы микроэлементов^ естественных почвах и шахтной породе Западного Донбасса (мг/гк х 10 , М±ш)

Хар-ка почвы сг № Fe » Си Zn Со Cd №

Песчаные1 12,5± 3,4 ■н 125,6± 17,0 е,з± 2,8 6,5± 2,1 12.3± 4.9 10,0± 1.6 11,7± 3.0 75,6t 17.4

Суглинистые2 9,2± 1,6 30,41 7,2 120,6± 19,0 7,5± 1.1 19.5± 4,8 83,01 17,9 10.91 2,4 12.5t 4.4 50,7t 10,8

Черноземные3 20,0± 1.8 41,5± 7.7 225,*7± 77,9 17,71 4,3 18,51 5.9 35,41 12,6 15.9± 4.7 10,1± 2.4 40,0t 4.9

Черноземные и лесные4 8,3± 1.6" 20.1* 3,6* 103,0± 20,2 2.4± 0,1* 6,71 0,9 10,5± 0,9* 4,21 1.1* 2,0± 0.7* 16,61 4,8*

Углевмеща-щие породы 21,4t 9,8 510.lt 107,8 1Б5,6± 49,0 28,8± 10.4 11,1± 5,6 82.51 20,4 15,0t 2.9 7.U 3.9 40,4t 20,8

Шламы ЦОФ 12,5t 7.1 47.5± 13,5 47,5± 11,0 12,0± 3,0 0,1± 0,01 52,5± 8.0 12,5t 2,2 12,1t 2,8 90.1t 27,7

' ' почвы в зоне влияния угледобывающих предприятий; 4 - условно чистые региональные почвы - достоверность различия р < 0,05

8а; никеля - 3,0-10,0 раз: меди - 1,1-3,0 раза; цинка - 1,2-8,0 раз; кадмия - 3,0-6,0 раз; свинца - 2,0-4,0 раза.

Гигиеническая оценка микроэлементного состава сельскохозяйственных растений - продуктов питания, выращенных на рекультивированных почвах. Значительная доля взаимообмена химических веществ между почвой и сопредельными объектами определяется уровнем транслокации различных соединений в растения, выраженном через коэффициент транслокации (Ск). В этой связи звено "почва - растение" Представляется определяющим, поскольку является последним в ряду перераспределения поллютантов в окружающей среде перед поступлением в организм человека со съедобными частями растительных культур. Исследования химического состава растений на рекультивированных и ненарушенных почвах позволили сгруппировать их по интенсивности накопления микроэлементов в зависимости от величины Ск. Наиболее активно поглощают микроэлементы иэ почвы элаковые культуры ( пшеница, кукуруза ) и эспарцет (рис.1). Коэффициент транслокации -металлов в эти растения составил 1-3 (х10~2). Наименьшая куыулирующая активность отмечена у клубне- и корнеплодов: картофеля, свеклы, моркови, лука, что может объясняться их структурной особенностью - большим количеством внутриклеточной влаги в подземных органах. Транслокация металлов в съедобные части этих растений была на 1-2 порядка ниже, чем в кормовые травы.. Эти результаты не совпадают с мнением ряда авторов, согласно которому имено клубне- и корнеплоды являются наиболее оптимальными культурами для . изучения .транслокации тяжелых металлов (Ф.Мел-дер, 1083.1902; H.Vetter,1074; Э.А.Деркачев, 1002). Нам представляется правильным разграничивать оценку содержания металлов в естественном растении и пищевых продуктах из него, либо специально подготовленные, например, высущенных пробах. В связи с этим кормовые многолетние травы представляются нам наиболее полезным тест-объектом на почвах, загрязненных тяжелыми металлами. Изучение кумуляции металлов с различ'-й фитотоксичностью показало, что растения не обладают избирательной способностью по отношению к конкретным химическим элементам, а реагируют , по всей видимости, только на величину их концентрации в почвенном растворе. Кумуляция эссенциальных металлов с низкой токсичностью в различных группах растений (кормовые травы, овощи, злаковые) соответствует уровню накопления ими высокотоксичных мышьяка, кадмия, свинца. В этой связи представляется разумным использовать растения - асси-милянты, например, кормовые травы, в качестве культуры-буфера для

□

Кормовые ■

Злаки

х

Овощи

Нп Ге Си 2п Й5 Са РЬ

Рио.1. Распределение коэффициентов транслокации (С*) микроэлементов о равным уровнем фитотоксичности в растениях о рекультивированных участков.

снижения концентраций водорастворимых микроэлементов в рекультивированных почвах. Неучена транслокационная активность ряда тяжелых металлов в рекультивированных почвах для широкого набора растений. В порядке возрастания усредненных С* металлы образовали следующий ряд: Ре < N1 < СЯ < Сг < РЬ < Мп < Си < А5 < Ш. Как видно, довольно значительной транслокационной способностью обладает фито- и биотоксичный мышьяк. Наибольшие его концентрации регистрировались в кормовых травах. Свинец и кадмий менее активно проникают в растения, однако их абсолютные концентрации в зерне пшеницы при этом составляют 1,2-1,6 и 0,3-0,7 ПДК соответственно. Показательны данные о коэффициентах транслокации микроэлементов в различных почвенных условиях. Отмечено отсутствие принципиальных раэличий транслокационной активности микроэлементов по отношению к злаковым культурам для рекультивированных и ненарушенных зональных участков, что можно объяснить близкими концэнтрацями микроэлементов. нейтральной реакцией, насыщенностью гумусом и глинистыми частицами рекультивированных почв, что в сумме ограничивает долю доступных для растений водорастворимых соединений металлов. Близкие коэффициенты транслокации тяжелых металлов в рекультивированных и ненарушенных почвах региона указывают на дос-

10"1 10-2 у ю-3

10

1-4.

10

,-5

В

X

■

а

Я а

х

В

■

х

□

О а в

X X

Таблица 2

Интегральные индексы опасности тяжелых металлов (гщ) в условиях рекультивированных почв Западного Донбасса

Характеристики микроэлемента Ранг металла по степени нарастания свойства

1 2 3 4 б 6 7 8 9

Валовое.содержание в почве, (мг/кг)1 Аг (И Си 7л Сг РЬ N1 Мп Ре

Степень подвижности (7. водо-растворимых„форм от валового содержания)'' Ре Аэ N1 Сг СМ Мп РЬ Си 2п

Коэффициент транслокации Ре N1 си Сг РЬ Мп Си Аэ 2п

ФИ"0ТрКСИЧН0СТЬ4 Мп Ре 7п N1 Си РЬ Сс1 Сг Ая

БИОТОКСИЧНОСТЬ (по И>50 для крыс при пероральном введении) 0 мл Сг+3Ре N1 Си 7п са РЬ А5

Интегральный индекс опасности металла (гщ) Ре 16 N1 20 Мп 22 Сг 23 СИ 24 Си 28 АБ 29 Тл 31 РЬ 32

1,2,3 - собственные данные

4 - по Уег1оо а1.,(1982) Б - по Ю.А!Ершову, (1989)

таточно высокую эффективность рекультивационных мероприятий и возможную перспективу сельскохозяйственного использования восстановленных плошдпей.

Анализ большого массива данных натурных и экспериментальных исследований позволил определить приориетные для региона Западного Донбасса тяжелые металлы: железо, никель, марганец, хром, кадмий, медь, мышьяк, цинк и свинец. В этой связи для обсуждения, а в последующем и для более широкой апробации предложен интегральный индекс опасности тяжелых металлов - Его суть состоит в следующем: каждый из металлов ранжируется по пяти признакам (распространенности в почве, лодгиююсти, транслокационной активности, фито- и биотоксичкссти). Исходя из суммы рангов по всем признакам устанавливается интегральный индекс опасности - для каждого металла (табл.2). На основании сопоставления инетеграль-

ных индексов опасности и фактических концентраций металлов в пищевых продуктах определены условные характеристики различных интервалов значений Так, при 2щ*-4-25 металл является малоо-паснь-1, при 21п-2б-35 - умеренно опасным, при 2щ-36-45 - опасным. На основании условных характеристик интегральных индексов опасности металлов почвы можно отнести к безопасным, если не менее половины из присутствующих в них приоритетных микроэлементов будут иметь 11п < 26 и 21п ни одного иа остальных не будет более ,35.

Изучениение влияния растительных продуктов с участков рекультивации на организм теплокровных животных. В качестве универсального теста, характеризующего состояние целостного организма, использовалось измерение массы тела животных. Полученные результаты свидетельствуют о том. что животные, получавшие зерно с рекультивированных участков активно набирали вес в течение всего эксперимента. К его завершению наибольшую массу имели крысы первой подопытной группы. Их средний вес превышал вес животных второй подопытной и двух контрольных групп в среднем на 50 г (р<0,05). Таким образом, не были выявлены однонаправленные изменения массы тела подопытных животных при скармливании им зерна с рекультивированных участков.

Изучение системы лейкоцитов, оперативно реагирующей на изменение гомеостаза при многих химических: повреждениях, выявило некоторые фазовые сдвиги у животных всех групп в течение 6 месяцев. Они выражались в умеренном лейкоцитозе с увеличением относительного количества сегментоядерных и эозинофилов при ровном содержании нейтрофилов. Наиболее заметные изменения были выявлены у крыс второй контрольной и обеих'подопытных групп на шестом месяце затравки (р<0,05). Учитывая достаточную стойкость описываемых изменений крови, нельзя исключить в качестве их причины воздействие комплекса тяжелых металлов, присутствующих в корме. Однако, это воздействие проявлялось не постоянно и отражалось не на всех показателях состояния организма животных. Так, со стороны системы красной крови (количество эритроцитов и концентрация гемоглобина) не выявлены достоверные изменения у крыс всех групп.

Реакция ферментов клеток печени животных в перьый период эксперимента проявилась в увеличении активности аспартат- и аланина-минотрансферазы на 20-502 по сравнению с исходным уровнем (р<0,-05). Картина изменения концентрации аминотрансфераз сыворотки крови была содружественной в подопытных и контрольных группах.

С 14 по 60 день эксперимента наблюдалось увеличение активности ферментов, а к 00 дню и до окончания исследований она не превышала исходного уровня, колеблясь по группам и срокам в небольших пределах. Таким образом, реакция печени животных на изучаемое внешнее воздействие находилась в пределах регуляторных возможностей организма бее стойкого изменения функции органа.

Контроль функции почек проводился путем изучения количества и состава мочи животных. При этом были отмечены достоверные изменения исследуемых показателей, проявлявшиеся содружественно в контрольных и подопытных группах. На подостром этапе исследования у крыс отмечалась умеренная альбуминурия и увеличение содержания мочевины сыворотки крови (р<0,05). К концу исследований показатели мочи крыс всех групп стабилизировались на уровне, близком к исходному, с сохранением относительного увеличения концентрации белл& в моче.

В качестве специфической реакции организма млекопитающих на воздействие тяжелых металлов изучалась концентрация свободных ти-оловых радикалов сыворотки крови экспериментальных животных. Эффект блокирования ИН-групп был отмечен у животных подопытных и контрольных групп черев 3 месяца эксперимента. К этому сроку концентрации тиоловых радикалов в сыворотке крови крыс уменьшились по сравнению с исходным уровнем в 2,6-3 раза (р<0,05), что может говорить о наличи специфической реакции организма на воздействие малых концентраций тяжелых металлов, присутствующих в корме животных. К концу эксперимента концентрация сульфгидрильных радикалов сыворотки крови животных всех групп, ва исключением первой контрольной, восстановилась до исходного уровня. Таким образом, регистрировались тонкие молекулярные изменения структуры белков животных, свидетельствующие о наличии приспособительных реакций, проявляющихся на подостром и хроническом этапе исследования.

Оценка иммунного статуса организма крыс, тесно связанного с донозологическими приспособите-^ ными реакциями, проводилась на основании исследований концент^-ау-и лизоцима сыворотки крови и бактериальной активности кожи животных. Во второй половине эксперимента параллельно с умеренным лейкоцитозом, у животых всех исследуемых групп было отмечено понижение иммунного статуса. Это проявилось в увеличении количества маннитразлагающих патогенных микроорганизмов на кожных покровах и снижении активности сывороточного лизоцима (р~0,05). сохранявшемся у животных всех групп до конца эксперимента.

В ходе 6 месяцев эксперимента в шерсти, головном мовге, печени . и почках крыс контрольных и подопытных групп не обнаружены достоверные различия концентраций железа, марагнца, меди, цинка, никеля. Содержание металлов по срокам эксперимента ваметно изменялось, однако, в большинстве случаев, параллельно в подопытных и контрольных группах.

В ходе эксперимента проводились морфологические исследования желудочно-кишечного тракта, печени, почек, миокарда экспериментальных животных. Их результаты не выявили специфических патологических изменений внутренних органов крыс . Имевшие место особенности внутренних органов отдельных особей контрольных и подопытных групп сводились к неспецифическим проявлениям периода агонии, либо к спонтанной патологии, не связанной о условиями эксперимента и предшествующей ему.

Параллельно о постановкой токсикологического эксперимента на теплокровных животных исследование степени токсичности верновых с рекультивированных участков било проведено на низших эукариотах. В качестве тест-объекта использовались инфувории Те^аЪутепа руг1Гогт1з. Учет ревультататов эксперимента черев 4 и 24 часа не выявил каких-либо нарушений в жизнедеятельности инфувории. С целью учета возможной кумуляции оценка результатов проводилась также черев 96 часов. В этот период в, подопытных и контрольных культурах инфузорий были отмечены единичные особи о измененными и уродливыми формами, а также гибель единичных клеток. Однако, их количество в общей массе простейших было незначительным и согласно "Ускоренной ориентировочной оценке токсичности веществ..." (1988), должно расцениваться как отсутствие негативного влияния исследуемого продукта."

ВЫВОДЫ

1. По мере развития и эксплуатации Западного Донбасса - перспективного угледобывающего района юго-восточной части Украины, возрастают негативные техногенные воздействия на объекты окружающей среды - почву, атмосферный воздух, подземные воды и поверхностные водоисточники. Возникают нарушения ландшафтных систем, которые приводят к деградациии и загрязнению почвенного покрова, изменениям и обеднению видового состава растительности, гибели лесов-, изъятию ив сельскохозяйственного использования сотен гектаров плодородных земель.

2. Основным эколого-гигиеническим мероприятием, направленным на ограничение, либо возмещение ущерба, наносимого объектам окружавшей среды в районах угледобычи, является рекультивация нарушенных земель. При этом на почвенную поверхность в качестве подстилающего и выравнивающего слоя выносится значительное количество углевмещающих пород и отходов углеобогащения.

3. В условиях дневной поверхности и далее, при эксплуатации рекультивированных участков, в подстилающих породах протекают процессы современного выветривания, заключающиеся в снижении их активной реакции (рН), оскилении сульфидов и вымывании из пород основных солей и тяжелых металлов. Тяжелые металлы являются наиболее опасны).® компонентами водных вытяжек отходов угледобычи.

4. В процессе создания и использования рекультивированных участков происходит активное перераспределение водорастворимой части соединений тяжелых металлов - хрома, марганца, ванадия, железа, меди, цинка, никеля, кадмия, свинца и металлоида мышьяка между подстилающими породами и перекрывающими их почвогрунтами. По нашим данным характер этого перераспределения заметно отлича-

5. нами установлено, что эксплуатация рекультивированных земель в течение 7-10 лет не уменьшает количества выносимых из пород наиболее токсичных микроэлементов - свинца и кадмия.

6. Как следует из результатов исследований, степень обогащения верхнего горизонта рекультивированных почв водорастворимыми формами тяжелых металлов зависит от исходного состава породы, ее рН и наличия экранирующей прослойки между породой и плодородным слоем. На участках с экраном из легких песчаных почв верхний плодородный слой чернозема не накапливает избыточных концентраций микроэлементов.

7. В условиях рекультивации нарушенных угледобычей земель тяжелые металлы являются основными экологически значимыми ксенобиотиками, способными к транслокации в культурные растения - продукты питания человека и сельскохозяйственных животных, что определяет большую значимость изучени.. особенностей возникающих трофических цепей. Было показано, что процессы транслокации микроэлементов из рекультивированных и ненарушенных региональных почв б различные виды растении (злаковые, овощи, кормоЕые травы) достоверно не отличаются в количественном и качественном отношении.

8. Для оценки степени опасности соединений тяглых металлов в рекухьгкзирорачнух и ненарушенных псчвах прелло.-.'.-по использовать интегральный индекс опасности - '¿хп, исходя из которого, примени-

тельно к указанным выше тяжелым металла*, рекультивированные почвы в обследованном регионе могут быть отнесены к безопасным.

9. В результате токсиколого-гигиенического исследования на лабораторных животных, получавших в рационе питания зерно пшеницы с рекультивированных участков, не было выявлено различий в физиологических, биохимических, гистологических, иммуннологических и других показателях их жизнедеятельности от соответствующих данных в группе контрольных животных.

10. Данные, полученные в процессе натурных и экспериментальных исследований по изучению миграции и транслокации тяжелых металлов в почвах, рекультивированных с применением углевмещающих шахтных пород, свидетельствуют о высокой эколого-гигиенической эффективности рекультивации нарушенных земель, которая заключается в частичном, либо полном восстановлении ландшафтных систем с перспективой их эффективного использования, в том числе в сельскохозяйственных целях.

РАБОТЫ. ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гигиеническая характеристика качества воды р.Самары и ры-бохозяйственных прудов в связи с рекультивацией земель в Западном Донбассе // Проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов бассейна Нижнего Днепра: мат-лы регион, науч.-практич. конференц. - Днепропетровск,1990.- С.56-57.

2. Использование рекультивируемых земель после добычи полезных ископаемых для воспроизводства полноценных продуктов питания // Биотехнология получения кормового белка, экологически чистых препаратов, повышающих урожайность премиксов, ферментов и витаминов кормового назначения: тез. докл. республ. науч. конф. - Днепропетровск, 1990.- С.101-102.

3. Токсикологическая оценка загрязнения пищевых продуктов тяжелыми металлами в условиях техногенных ландшафтов // Медико-биологические аспекты разработки продуктов питания: материалы науч. конф. - Киев, 1993. - С.208.

4. Использование теплокровных животных для биоиндикации пороговых концентраций тяжелых металлов // Вестник Днепропетровского университета. - Днепропетровск, 1993. - С.216.

5. Зколого-гигиенические рекомендации по рекультивации и дальнейшему использованию нарушенных в процессе угледобычи земель // Инф. письмо. Институт "Днепрогилропахт". - Днепропетровск, 1993.- 2с.

6. Гигиеническая характеристика еагряэнения тяжелыми металлами сельскохозяйственных растений, выращенных на рекультивированных землях в условиях Западного Донбасса // Актуальные вопросы теоретической и клинической медицины: тев. докл. молод, ученых и специал. - Днепропетровск, 1993.- С.204-206.

7. Гигиенические аспекты рекультивации нарушенных земель при добыче и переработке полезных ископаемых // Биоэкологические и горнотехнические проблемы рекультивации нарушенных земель и повышение их продуктивности: мат-лы междунар. науч.-практич. конф. ДГАУ.-Днепропетровск, 1993.

1994 г. Заказ N 20 ..Объём 1.5 п.л. Тираж 50 экз. Формат 60x84 1/16 Ротапринт ДОЛ. Набережная В.И.Ленина, 18