Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Источники и стоки тяжелых металлов в антропогенно измененных экосистемах

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Источники и стоки тяжелых металлов в антропогенно измененных экосистемах"

На правах рукописи

ЖУРАВЛЁВА НАТАЛИЯ ИВАНОВНА

ИСТОЧНИКИ И СТОКИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АНТРОПОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ (НА ПРИМЕРЕ ИВАНОВСКОЙ И КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТЕЙ)

Специальность 03.02.08 - Экология

6НЮН 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Иваново 2013

/ь

005061533

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" на кафедре Промышленной экологии (г. Иваново)

Научный руководитель: Гриневич Владимир Иванович

доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой Промышленной экологии, Ивановский государственный химико-технологический университет

Базанов Михаил Иванович

доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой Аналитической химии, Ивановский государственный химико-технологический университет

Шварёва Ирина Станиславовна

кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры Безопасности жизнедеятельности, экологии и химии, Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева» (г. Москва)

Официальные оппоненты:

Защита состоится « 17» июня 2013 г. в_часов в аудитории на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.063.02 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

e-mail: dissovet@isuct.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Я

Автореферат разослан «_»_2013 г. /

Отзывы просим направлять по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Фр. Энгельса 7, Ивановский государственный химико-технологический университет, Диссертационный совет Д 212.063.02

e-mail: dissovet@isuct.ru, EPGrishina@yandex.ru, факс: (4932) 325433 Учёный секретарь диссертационного ^ ¿> ,,

совета, д.т.н., доцент ^/ ■/('/.,/ Гришина Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях нарастающего ухудшения экологической ситуации все большее внимание привлекает проблема загрязнения биосферы тяжёлыми металлами. Поступая из различных источников: выпадения атмосферных осадков (с учётом трансграничного переноса), выбросы отработанных газов автотранспорта и промышленных производств, тяжёлые металлы (ТМ) способны накапливаться в почвах в концентрациях, превышающих фоновый уровень. Большая часть элементов, поступающих в почву, включая ТМ, остаётся в подвижной форме и участвует в естественных биохимических циклах. Большинство ТМ являются кумулятивными ядами, то есть, постепенно накапливаются в живых организмах, преимущественно в печени, поскольку скорость их естественного выведения очень низкая.

Сырьевой базой производства большинства продуктов питания для человека является сельскохозяйственная продукция, безопасность и качество которой определяется, в том числе, и степенью загрязнения компонентов окружающей среды. Отметим, что имеется большое количество результатов исследований по установлению зависимости состояния здоровья населения от степени загрязнения различных компонентов окружающей среды (в частности, атмосферного воздуха, воды), техногенной нагрузки, неблагоприятных условий проживания и несбалансированного питания.

Вместе с тем, несмотря на наличие информации о загрязнении экотоксикан-тами объектов биосферы (воздух, вода, почвы), уровень содержания ТМ в пищевом сырье и продуктах питания, производимых непосредственно в Ивановской и Костромской областях, а также и степень их влияния на состояние здоровья населения указанных регионов практически неизвестны.

Поэтому оценки уровней воздействия на естественные и антропогенно измененные экосистемы, а также выявление уровня загрязнения ТМ объектов окружающей среды, используемых в производстве сельскохозяйственной продукции, самой этой продукции: молока и мяса крупного рогатого скота (КРС), определение и анализ экологического риска при употреблении в пищу указанных продуктов являются актуальной задачей.

Цель данной работы - выявление уровней загрязнения антропогенно измененных экосистем ТМ, оценка коэффициентов биоаккумуляции в трофической цепи и расчет рисков здоровью населения Ивановской и Костромской областей.

Для достижения этих целей были выполнены:

- экспериментальные измерения содержания ТМ в снежном покрове, дождевой воде, почве, произрастающих на ней многолетних травах и питьевой воде, используемых в рационе КРС;

- исследование содержания ТМ в мясе, почках, печени и молоке крупного рогатого скота (КРС) в рассматриваемых сельскохозяйственных предприятиях;

- оценка коэффициентов биоакумуляции ТМ в трофической цепи и расчет рисков здоровью населения.

Новизна исследования заключается в следующем: 1) впервые для Ивановской и Костромской областей установлены критериальные загрязнители окружающей среды, а именно атмосферы (Си, гп), артезианской воды (Си, Хп, Ре), почвенного покрова (Ре, Сг, Си, №); 2) впервые для многолетних трав, произрастающих на территории Ивановской и Костромской областей, определены коэффициенты биоаккумуляции, которые оказались максимальными для Сг (0.5-1.0), N1 (0.2-0.8) и 2п

з

(0.2-0.4). Минимальные коэффициенты биологического поглощения характерны для Fe и Мп; 3) установлено, что основными каналами поступления организм КРС Zn и Си являются вода и травы, a Cd - кормовые добавки; 4) впервые выполнены оценки пожизненного индивидуального риска смерти (методика Гарвардского университета) при употреблении животноводческой продукции (3 и 4 ранг), а также впервые для жителей Ивановской и Костромской областей рассчитаны популяци-онные риски и экономический ущерб от вероятной смерти при употреблении мяса и молока.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для прогноза изменения качества антропогенно измененных экосистем, а также для эколого-экономического обоснования необходимости развития АПК рассматриваемых регионов с мясо-молочным направлением производства.

Предложенная методика по расчёту вероятного ущерба от смертности населения и/или от ухудшения качества его жизни может быть использована для обоснования затрат на проведение природоохранных мероприятий, а также мер для обеспечения безопасности населения органами, уполномоченными в области защиты здоровья и обеспечения благополучия населения России.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивалась использованием современных методов исследований и обработки результатов, выполненных в соответствии с действующей нормативной документацией (ГОСТ, СанПиН, ГН, МУК и др.), проверкой их на воспроизводимость, а также отсутствием противоречий с теми сведениями, которые были известны ранее.

Личный вклад автора. Анализ литературных источников, выбор объектов исследований с учетом их специфики, экспериментальные исследования выполнены лично автором. Постановка цели и задач исследования, интерпретация и анализ полученных результатов, формулирование основных выводов диссертационной работы, проведены соискателем и совместно с научным руководителем.

Публикация и апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии», г. Тула, 2007; на Международных научно-практических конференциях «Проблемы экологии в современном мире в свете учения В.И. Вернадского», г. Тамбов, 2010; «Экология. Риск. Безопасность», г.Курган, 2010; «Экологическая безопасность и устойчивое развития территорий», г. Чебоксары, 2011; на XIII Международной научно-технической конференции «Наукоёмкие химические технологии - 2010», г. Иваново, 2010; на VIII Региональной студенческой научной конференции с международным участием "Фундаментальные науки - специалисту нового века", г. Иваново, 2010; на Международных научно-методических конференциях «Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса», Иваново, 2007, 2008, 2010, 2011гг.

По результатам исследований опубликовано 13 работ, включая 4 статьи из перечня журналов, рекомендованных ВАК.

Объём диссертации. Диссертация изложена на 127 стр., содержит 20 табл., 12 рис. и состоит из введения, литературного обзора, методик исследований, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 217 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены основные источники загрязнения и факторы, влияющие на состояние естественных и антропогенно измененных экосистем. Установлено, что в настоящее время тяжелые металлы (ТМ) являются критериальными загрязнителями природных объектов. Рассмотрены механизмы аккумуляции тяжелых металлов в объектах окружающей среды и в живой клетке. Показано, что изучение процессов миграции и трансформации рассматриваемых токсикантов является не только актуальным, но и обязательным как для улучшения состояния жизненно важных объектов окружающей среды, так и для повышения безопасности населения исследуемых регионов России.

Во второй главе рассмотрено методическое обеспечение эксперимента, описаны реактивы и материалы, использованные в экспериментальной части работы. В ней отмечено, что исследования выполнялись в 2006-2010 гг.

Приведены сведения об объектах исследований: физико-географическая характеристика территорий расматриваемых сельскохозяйственных предприятий из Приволжского, Фурмановского и Ивановского районов Ивановской области и Костромского района Костромской области, с указанием потенциальных источников поступления в окружающую среду загрязняющих веществ.

Все наблюдения и измерения проводили по общепринятым методикам. Отбор и пробоподготовку образцов проводили совместно с сотрудниками лаборатории кафедры «Промышленной экологии» ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» методами, предусмотренными ГОСТ 26929-94. Анализ проб снежного покрова (талой воды), почв, растений и продукции животноводства (мяса, печени, почек и цельного сырого молока крупного рогатого скота) проводили в лаборатории ФГБОУ ВПО ИГХТУ и ИЦ «Качество». Содержание металлов Си, Ре, Мп, Сг, №, С(], Ъп, РЬ определяли атомно-абсорбционным методом (спектрофотометр «Сатурн»).

Случайная погрешность измерения (доверительная вероятность 0,95) не превышала 25 %, а относительная погрешность измерения по стандартным методикам не превышала 20 %.

В третьей главе проводится обсуждение полученных экспериментальных данных.

Раздел 3.1. Загрязнение тяжелыми металлами объектов окружающей среды.

Загрязненность атмосферных осадков является отражением степени антропогенного воздействия на окружающую среду.

В пробах снежного покрова, отобранных на исследование в 2006 г. выявлено повсеместное превышение установленных нормативов качества воды по Си, №, Мп, Ре, зафиксировано повышенное содержание 7.п, в образцах снега из Ивановского района Ивановской области обнаружен Сг (на уровне 0,8 ПДК). Содержание кадмия, свинца и кобальта в образцах талой воды находилось на уровне ниже предела обнаружения.

Исследования 2010 г. также как и в предыдущий период выявили превышение установленных нормативов по Си, '¿.п, Мп, Ре. В данный период во всех исследуемых пробах обнаружен РЬ, его содержание также превышает ПДК в 2-3 раза. Сг,

№, Сё и Со обнаружены не были, т.е. их содержание в исследуемых пробах находилось на уровне ниже предела обнаружения данной методики.

Ингредиентный состав тяжелых металлов в пробах дождевой воды, полученных в разные периоды в исследуемых районах не постоянен, содержание элементов изменяется как по периодам отбора проб, так и по районам исследования.

Результаты исследований показали отсутствие во всех пробах Сё, РЬ, Со и Сг, но зафиксировано превышение ПДК во всех исследуемых образцах по Си (до 30 ПДК) и /п (до 7,5 ПДК).

Наиболее высокие концентрации в дождевой воде Си зафиксированы повсеместно в пробах, отобранных в осенний период (сентябрь - октябрь), минимальные - в весенне-летний период (май - июнь). Наибольшая концентрация 2п (7,5 ПДК) обнаружена в пробе воды, отобранной летом в Приволжском районе, наименьшая (на уровне ПДК) - осенью в Ивановском районе.

Таким образом, результаты измерений показали, что критериальными загрязнителями атмосферы рассматриваемых регионов, являются металлы второго (Си) и третьего (Мп, Zn) классов опасности, основным источником которых является антропогенный. Атмосферные выпадения дают существенный вклад в загрязнение почвенного покрова Ивановской и Костромской областей.

Источником поступления в организм тяжелых металлов могут быть и природные воды. Для поения крупного рогатого скота (КРС), в рассматриваемых районах используется вода, получаемая из собственных артезианских скважин, глубина которых различается незначительно и составляет в среднем 46 м.

Результаты исследований проб воды на содержание токсичных элементов указывают, что вода из Фурмановского и Ивановского районов Ивановской области соответствует санитарно-гигиеническим требованиям (табл. 3.4).

В воде из с/х предприятии из Костромского района Костромской области зафиксировано превышение установленных нормативов по Мп (на уровне 1,3 ПДК.) и Бе (1,5 ПДК ), из Приволжского района Ивановской области - только по Ре (2,2 ПДК ). Концентрация марганца в пробах воды из всех районов Ивановской области составила менее 0,1 мг/л, что соответствует установленным нормативам.

Максимальное содержание меди в пробах воды зафиксировано в образцах из Фурмановского района (0,22 ПДК ), минимальное содержание данного элемента зафиксировано в воде из Ивановского района (менее 0,1 ПДК ). Максимальный уровень загрязнения воды цинком отмечен в пробах из Костромского района (на уровне ПДК), минимальный- из Фурмановского района (менее 0,1 ПДК ).

Загрязненность почвы. Все основные циклы миграции тяжёлых металлов в биосфере (водные, атмосферные, биологические) начинаются в почве, потому что именно в ней происходит мобилизация металлов и образование различных миграционных форм. Почвы являются природными накопителями тяжёлых металлов в окружающей среде и основным источником загрязнения сопредельных сред, включая высшие растения.

Механизм взаимодействия токсикантов с составными элементами экосистем к настоящему времени в достаточной степени не изучен. Можно предположить, что такие критериальные ксенобиотики, изучаемые нами, как ТМ взаимодействуют с почвенной системой следующим образом. Гуминовые и фульвоксилоты содержат функциональные группы, способные образовывать довольно прочные связи с ТМ по салицилатному (а) (с участием карбоксильной группы и фенольного гидроксила) и фтапатному (б) типу:

Результаты выполненных нами исследований свидетельствуют, что почвы земель сельскохозяйственного назначения не значительно загрязнены валовыми формами тяжёлых металлов, это характерно для всех исследуемых нами районов (табл.1.).

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов (валовое) в почве *

Металл Приволжский район Фурмановский район Ивановский район . Костромской район пдк„* Р=0,95

Си 12.0- 12.3 12,2 24.2-41.7 32,9 10.5-11.7 16,4 6.0-20.0 13,0 3,0

Zn 23.7- 128.6 76,2 21.0- 100.0 60,5 114.3- 163,1 138,7 57.1-58,3 57,7 23,0

Cd н/о н/о 0.001 - 1.5 0,8 н/о 2,0**

Pb к/о н/о 0.001 - 16.1 8,1 0.001 -6.3 3,2 32,0

Со 5.0-5.1 5,05 1.2-4.6 2,9 4,7-9.3 7,0 0.001-3.3 1,7 5,0

Ni 16.1-16,7 16,4 16.7-23,9 20,3 13.7-14.6 14,15 12.5-23.8 18,2 4,0

Mn 800.0-816,9 808,5 409.1-603.6 506,4 295.5 - 568.2 431,9 272.7- 1145.8 709,3 1500,0

Cr 0.3-3.13 1,9 0.7-1.5 1,2 0.9-2.1 1,6 0.8-1.3 1,2 0,05

Fe 2720.6-5000.0 3860,3 3437.5-4221.4 3829,5 3562,8-6250.0 4906,4 3750.0-4750.0 4250,0 20,0

*- Предельно допустимая концентрация химических веществ в почве;

** - Ориентировочно допустимая концентрация химических веществ в почве

Содержание ТМ в почвах также существенно превышает допустимые номы, например по Ре (до 250 ПДК), Сг (до 63 ПДК), Си (до 8 ПДК) и N1 (до 6 ПДК). Незначительные превышения ПДК по Со выявлено в пробах почв Приволжского (на уровне ПДК) и Ивановского (1,9 ПДК) районов Ивановской области. Высокое содержание Ъл. обнаружено в образцах почвы Приволжского (1,3 ПДК) и Ивановского (7 ПДК) районов, а также в почве Костромского района (2,5 ПДК), наличие С<3 зафиксировано только в пробах почвы Ивановского района (0,75 ПДК) а Мп зафиксирован во всех исследуемых образцах почвы на уровне до 0,8 ПДК

Следовательно наиболее высокие концентрации высоко опасных металлов (гп, Сё и РЬ) зафиксированы в почвах тех районов, которые расположены в непосредственной близости от областных центров, в которых и сосредоточены в основном промышленные предприятия регионов.

Оценка уровня химического загрязнения почв, как индикатора неблагоприятного воздействия на здоровье населения, проводился по показателям: 1) коэффициент концентрации химического вещества (Кс), который определяется отнесением

его реального содержания в почве (С) к фоновому (Сф): Кс =- (1); 2) суммарный

Сф

показатель загрязнения (2.с):

гс = +... + Лс„) - (я -1) , (2)

где: п - число определяемых суммируемых вещества; Кс, - коэффициент концентрации ¡-го компонента.

Таблица 2

Уровень химического загрязнения почв сельскохозяйственных

Металл Приволжский Фурмановский Ивановский Костромской Сф

район район район район

Си С 12,3 ± 1,8 41,7 + 6,25 11,7± 1,75 20,0 ±3,0 15,3

Кс 0,80 2,72 - 0,95 1,31

гл С 128 ± 38 100 ± 31 163 ± 3,1 58,3 ±8,7 41,3

Кс 3,11 2,42 3,95 1,41

С<1 С - - 1,5 ±0,1 - 0,7

Кс - - 2,14 -

РЬ С - - 16,1 ±4,8 6,3+ 1,9 11,5

Кс - - 1,4 0,55

Со С 5,1 ±0,8 4,58+ 1,14 9,3 ± 1,4 3,33 ±0,83 8,4

Кс 0,61 0,54 0,11 0,40

N1 С 16,67 ±4,17 23,9± 3,3 14,58 + 3,65 23,8 ±3,3 23,2

Кс 0,72 1,03 0,63 1,03

Мп С 816 ± 204 603 ± 120 568± 113 1145 ±229 715,0

Кс 1,14 0,84 0,79 1,60

Сг С 3,1 ±0,6 1,5 ±0,3 2,1 + 0,4 1,3 ±0,3 180,0

Кс 0,02 0,01 0,01 0,01

Ре С 5000 ± 1750 4221 ±633 6250 ± 2187 4750 ± 712 1180«

Кс 4,24 3,58 5,30 4,03

гс 3,64 4,14 6,28 2,34

С - концентрация элемента в почве; Кс - коэффициент концентрации химического вещества; Сф - содержание элемента в фоновой почве (дерново-подзолистой почве ЦФО), * - подзолисто-глеевые ).

В соответствии с СанПиН 2.1.7.1287-03 по всем изучаемым тяжелым металлам загрязнение почв сельскохозяйственных предприятий рассматриваемых районов относится к допустимому уровню загрязнения, т.е. рассматриваемые почвы могут быть использованы для возделывания любых культур.

Загрязненность многолетних трав.

Растения извлекают тяжелые металлы из глубоких слоев почвы и накапливают их в корнях, стеблях, листьях, репродуктивных органах. Тяжелые металлы поглощаются в виде ионов, хелатов или комплексов и включаются в растительную массу или накапливаются в вакуолях. Большинство ТМ, за исключением ртути, поступают из водной фазы почвы. С(1 и Zn поглощаются растениями в растворимых, а РЬ - в нерастворимых (фосфаты, карбонаты, гидроксиды) формах. Известна способность растений стимулировать поступление ТМ в корень путем подкисления ризосферы Н\ а также экссудацией мала-та, цитрата и других органических кислот. Главный путь поступления ТМ в растете -

через корни, однако отмечена также способность надземных органов легко поглощать некоторые ТМ.

Наиболее вероятный механизм поступления, например свинца и кадмия, представлен на рис. 1.

г

МеО + Н+ Ме2+

Образование нераствори- Адсорбция на глинистых Комплексообразование с мых соединений минералах гумусовыми кислотами

МеСОз!, Ме3(РО,,Ы, Ме8С>4| и др.

Рис.1 Механизм поступления тяжелых металлов в растения.

Многолетние травы, произрастающие на территории с/х предприятий Ивановского района Ивановской области характеризуются наиболее широким качественным составом ТМ. Только в этих пробах обнаружены РЬ и Со, но их содержание не превышает установленных нормативов.

Превышение установленных нормативов зафиксировано только по N1 (до 5 ПДК) и Сг (на уровне 3 ПДК), причем данные превышения относятся к значениям максимально допустимых уровней содержания данных элементов в грубых и сочных кормах.

В целом, наиболее высокие концентрации ТМ зафиксированы в образцах растений из Ивановского и Костромского районов, что, по-видимому, объясняется более высокой степенью загрязнения почв, вследствие большей техногенной нагрузки на эти районы.

Зависимость между содержанием элемента в растении и почве характеризуется коэффициентом биологического поглощения (Кб), под которым понимают отношение содержания элеме1гга в золе растения (Ср) к его содержанию в почве (С):

О)-

Рассчитанные значения коэффициентов биологического поглощения ТМ растениями, можно расположить в ряды по мере их убывания:

№> Сг > 7л > Си > Мп >Ре на предприятии Приволжского района;

Сг > № > гп > Мп > Си >Ре - Фурмановского района;

Сг > № > Си > Ъп > Мп >Ре - Ивановского района;

Сг >№> Ъл > Си > Мп >Бе - Костромского района.

Максимальные коэффициенты биоаакумуляции многолетними травами присущи Сг (0.5-1.0) и № (0.2-0.8), а минимальные Мп и Ре, что не противоречит имеющимся в литературе данным по коэффициентам поглощения ТМ растительностью (рис.2). '

Рис.2. Коэффициент биологического поглощения ТМ многолетними травами, произрастающими на обрабатываемых угодьях сельскохозяйственных предприятий.

3.2. Загрязнение тяжёлыми металлами животноводческой продукции.

Сельскохозяйственных животных в агропромышленном производстве продуктов животноводства можно рассматривать как «биологический фильтр» для человека, ограничивающий избыточное поступление экотоксикантов из окружающей среды.

На переход загрязнителей в продукцию животноводства большое влияние имеют условия содержания и кормления животных. Содержание животных в рассматриваемых с/х предприятиях стойловое, привязное, основу кормового рациона составляют корма собственного приготовления с добавлениями премиксов и различных пищевых добавок в с/х предприятиях из Ивановского и Костромского районов, незначительным их включением в кормовой рацион Фурмановском районе, в хозяйстве Приволжского района добавки применяют крайне редко. Во всех рассматриваемых хозяйствах кормовой рацион значительно варьируется в зависимости от времени года. В весенне-летний период в рационе преобладают сочные корма (зеленая масса, силос), а в осеннее-зимний - грубые корма (сено, сенаж) и корне- и клубнеплоды. Исходя из существенных различий в рационах, наши исследования содержания ТМ в продукции животноводства проводились летом (отбор проб осуществляли в августе) и зимой (отбор проб - в январе-феврале) с 2006 по 2010 гг.

Полученные результаты исследований продукции животноводства в различные сезоны отличаются довольно существенно. В образцах продукции, отобранной на анализ в летний период, зафиксировано более высокое содержание металлов, чем в продукции, полученной зимой. Данный факт можно объяснить меньшей упитанностью животных, а следовательно, преобладанием в мышцах соединительной и хрящевой тканей, которые, могут накапливать тяжелые металлы при условии несбалансированного кормления. Отметим, что содержание соединений Аэ и в образцах мяса, печени, почек и молока находилось на уровне ниже предела обнаружения использованной методики, <0,025 мг/кг и <0,003 мг/кг соответственно.

Исследуемые образцы печени и почек по показателям безопасности (содержанию РЬ и СА) полностью соответствуют требованиям нормативной документации, повышенное содержание в субпродуктах зафиксировано только для Си и Ре. Однако, в целом содержание ТМ в данной продукции выше, чем в мясе и молоке.

Мясо крупного рогатого скота, исследуемое в зимние периоды по показателям безопасности также соответствует санитарно-гигиеническим требованиям, зафик-

сировано лишь повышенное содержание Си (до 3 ДУ). В образцах, отобранных на исследование летом в с/х предприятиях Приволжского и Ивановского районов были обнаружены в высоком количестве СсЗ и РЬ, до 2 ДУ и на уровне ДУ, соответственно.

Содержание РЬ и Сё в образцах сырого цельного молока, анализируемых в зимний период в целом не превышает уровней, установленных санитарно-гигиеническими нормами. Исследования показали превышение допустимого уровня содержания Сс1 (до 2,3 ДУ) в «летних» пробах молокаиз Фурмановского и Ивановского районов Ивановской области, а также Костомского района Костромской области. Концентрация РЬ в анализируемых пробах молока в целом также максимальна в «летний» период и минимальна - зимой. В молоке, полученном летом повсеместно зафиксировано повышенное содержание Си (до ЗДУ).

В сравнении с результатами других авторов видно, что общая тенденция более высокого содержания ТМ в субпродуктах (печени и почках) крупного рогатого скота по сравнению с мясом наблюдается и в нашем случае (рис. 3-6)

а) летние пробы

б) зимние пробы

□ Си' га Ре* Егп* Ш Мп ВСЙ в РЬ

печень молоко

мясо почки печень молоко

Рис. 3. Содержание металлов в продукции животноводства из Приволжского района Ивановской области (* - с учетом разбавления в 100 раз)

а) летние пробы

б) зимние пробы

□ Си* В Ре*

вгп*

Ш Мп

вс<1 аРЬ

□ Си" ■ Ре* нгп*

ПМп

□ са

НРЬ

мясо почки печень мопоко

мясо почки печень молоко

Рис. 4 Содержание металлов в продукции животноводства из Фурмановского района Ивановской области (* - с учетом разбавления в 100 раз)

а) летние пробы

б) зимние пробы

□ Си" а Ре' нгп-а Мп 0Сс1 0 РЬ

мясо почки печень молоко

печень молоко

Рис. 5. Содержание металлов в продукции животноводства из Ивановского района Ивановской области (* - с учетом разбавления в 100 раз)

а) летние пробы

б) зимние пробы

□ Си* в Ре* нгп* И Мп

□ СЙ в РЬ

мясо почки печень молоко

Рис. 6. Содержание металлов в продукции животноводства из Костромского района Костромской области (* - с учетом разбавления в 100 раз)

Учитывая, выше приведенные данные по содержанию ТМ в воде и травах, а также тот факт, что величины ДУдля молока и мяса составляют соответственно (мг/кг) 1.0 и 1.8 (Си), 5.0 и 75 (Хп\ 0.03 и 0.05 (Сс1), можно сделать вывод о том, что основными источниками поступления Си и Хп в организм КРС многолетние травы, а С(1 - другие кормовые добавки.

3.3. Оценка экологического риска и его последствий, возникающего при употреблении в пищу исследуемой продукции животноводства.

В настоящее время в России нет жестких законодательных требований по установлению уровней риска, как приемлемого, так и допустимого. По этому были использовали зарубежные методики. Оценивали только экологические риски от употребления в пищу мяса и цельного сырого молока КРС, загрязненных наиболее опасными из рассматриваемых металлов, РЬ и Сё.

Результаты полученных оценок степени пожизненного индивидуального риска смерти при употреблении в пищу мяса и молока, содержащих соединений РЬ и Сс1, показали соответственно, 5 (средний) и 6 (относительно низкий) уровни

опасностей по порядковой шкале для ранжирования степени риска смерти, предложенной Гарвардским институтом международного развития. В сравнении с другими видами риска смерти такие уровни опасности характерны для катастрофических явлений природного характера (наводнений, цунами, землетрясений, тайфунов, циклонов, гроз и т.п.). Согласно критериев приемлемости риска Эшби, полученные значения риска имеют 3 ранг (по РЬ) и 4 ранг (по Cd), т.е. требуется "детальное обоснование приемлемости риска" в первом случае и "риск приемлем без ограничений" во втором. В соответствии с критериями приемлемости риска, разработанными Минздравом РФ, риск для здоровья человека при возможном употреблении анализируемой нами пищевой продукции, из-за содержания в ней Cd, входит первый диапазон риска, характеризующий такие уровни риска, которые воспринимаются всеми людьми как пренебрежимо малые, не отличающиеся от обычных, повседневных рисков (уровень De Minimus). Подобные риски не требуют никаких дополнительных мероприятий по их снижению, и их уровни подлежат только периодическому контролю. Значение риска (полученное в наших расчётах) из-за перорального употребления мяса и молока, содержащего соединения РЬ, лежит во втором диапазоне. Второй диапазон (индивидуальный риск в течение всей жизни более 10"6, но менее 10"4) соответствует предельно допустимому риску, т.е. верхней границе приемлемого риска. Данные уровни подлежат постоянному контролю.

Здесь необходимо отметить, что шкала, предложенная Гарвардским институтом международного развития, была разработана первоначально для определения степени риска смерти при воздействии на организм человека загрязнённого атмосферного воздуха путём его вдыхания. Поэтому для уточнения степени риска необходим его учет на популяционном уровне. Результаты расчёта значений популяци-онного риска и экономического ущерба от вероятной смерти жителей рассматриваемых регионов России при условии употребления населением в пищу мяса и молока КРС только с территории указанных областей приведены в табл. 3.

Таблица 3

Популяционный риск (Я р0ри1) и ущербы от вероятной смерти (Усм) при

употреблении в пищу мяса и молока крупного рогатого скота, _загрязнённых свинцом и кадмием_

Металлы в: RdoduI, возможное число смертей YCM, млн. руб.

Ивановская область Костромская область Ивановская область Костромская область

лето | зима лето | зима лето | зима лето | зима

2006-2007 гг.

мясе РЬ 6 6 14 4 38,16 22,26 75,15 20,04

Cd 6 1 1 -

молоке РЬ 12 11 8 6 79,50 54,06 105,21 30,06

Cd 13 6 13 -

Итого (I YCM): 193,98 230,46

2009-2010 гг.

мясе РЬ 22 8 21 14 347,75 90,95 387,59 174,02

Cd 43 9 28 8

молоке РЬ 29 13 14 13 326,35 165,85 553,7 150,29

Cd 32 18 56 6

Итого (I YM): 930,9 1265,6

Произвести оценку популяционного риска на основании данных табл. 3

сложно, так как нет критериев для его оценки. Однако, ущерб, наносимый данным риском по шкале приемлемости ущербов можно характеризовать как средний (в 2006-2007 гг.) и высокий (в 2009-2010 гг.).

Экономический ущерб может быть рассчитан не только для случаев вероятной (возможной) смерти от того или иного риска, но для факта ухудшения качества жизни (при отсутствии летальных исходов) - 1X1: (сокращение ожидаемой продолжительности жизни — т.е. ухудшение её качества).

Таблица 4

Сокращение ожидаемой продолжительности жизни и ущерба от её сокращения при употреблении в пищу мяса и молока, загрязненных __свинцом и кадмием, 1ХЕ и У__

Металлы в: ЬЬЕ, сут./ч У, млн. руб.

Ивановская область Костромская область Ивановская область Костромская область

лето | зима лето 1 зима лето | зима лето | зима

2006-2007 гг.

мясе РЬ 0,06/1,4 0,05/1,2 2,0/48 0,06/1,4 0,35 0,22 10,12 0,3

Сс1 0,05/1,2 0,02/0,5 0,02/0,5 -

молоке РЬ 0,11/2,7 0,08/1,9 0,1/2,4 0,08/1,9 0,73 0,51 1,5 0,4

са 0,12/2,8 0,08/1,9 0,2/4,8 -

Итого (£ У): 1,81 12,32

2009-2010 гг.

мясе РЬ 0,2/4,8 0,08/1,9 0,3/7,2 0,2/4,8 3,21 0,86 5,54 2,06

са 0,4/9,6 0,08/1,9 0,4/9,6 0,06/1,4

молоке РЬ 0,3/7,2 0,12/2,9 0,2/4,8 0,2/4,8 4,82 1,44 7,91 2,21

са 0,6/14,4 0,15/3,6 0,8/19,2 0,08/1,9

Итого (£ У): 10,33 17,72

Рассчитанные ущербы (табл. 4) от сокращения ожидаемой продолжительности жизни можно оценить как минимальные (в 2006-2007 гг.) и низкие (в 2009-2010 гг.). Если сравнивать данный ущерб с ущербом от вероятной смертности, то попу-ляционный риск является критериальным, его необходимо оценивать и контролировать в первую очередь.

Оценённые нами по предложенной схеме величины экономического ущерба от рисков указывают, что масштабы уровня загрязнения мясомолочной продукции в анализируемых хозяйствах Ивановской и Костромской областей относительно незначительны, но уровень загрязнения должен контролироваться органами, уполномоченными в области защиты здоровья и обеспечения благополучия населения России.

Основные результаты и выводы

1. Впервые установлено, что критериальными загрязнителями атмосферы Ивановской и Костромской областей являются Си (до 30 ПДК ) и (до 30 ПДК).

2. Показано, что критериальными поллютангами, присутствующими в артезианских природных водах, являются Ре и Мп (Костромской район, до 1.3 ПДК и 1.5 ПДК соответственно), а для Приволжского района только Ре (2.2 ПДК).

3. Выявлено, что в почвах в наибольших количествах из изучаемых ТМ присутствуют Ре (до 250 ПДК), Сг (до 63 ПДК), Си (до 8 ПДК) и N1 (до 6 ПДК).

4. Установлено, что содержание ТМ в многолегних травах в основном не превышает максимально допустимых уровней, исключение составляет N1 (до 3 МДУ).

5. Впервые для многолетних трав, произрастающих на территории Ивановской и Костромской областей, определены коэффициенты биоаккумуляции, которые оказались максимальными для Сг (0.5-1.0), N1 (0.2-0.8) и Хп (0.2-0.4). Минимальные коэффициенты биологического поглощения характерны для Ре и Мп.

6. Показано, что содержание ТМ в животноводческой продукции в основном не превышает допустимых значений. Исключение составляет содержание Си в зимний период времени года в пробах мяса, а в летний - в пробах молока (до 3 ДУ), а также Сё в летний период в пробах месса и молока (до 2 ДУ). Основным каналом поступления Си и Ъп в организм КРС являются многолетние травы, а Сё - другие кормовые добавки.

7. Проведены оценки пожизненного индивидуального риска смерти при употреблении животноводческой продукции (3 и 4 ранг), а также впервые для жителей Ивановской и Костромской областей рассчитаны популяционные риски и экономический ущерб от вероятной смерти при употреблении мяса и молока (в максимуме 330 млн. рубл. для Ивановской области и 1266 млн. рубл. - Костромская область).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1. Журавлёва, Н.И. Методика выявления ущерба от вероятной смертности населения из-за употребления мясомолочной продукции, содержащей тяжелые металлы/ Н.И. Журавлёва, В.И. Гриневич, А.Г. Бубнов. // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2011. - №3 (27) - С. 85-94.

2. Журавлёва, Н.И. Экологический контроль уровня загрязнения свинцом и кадмием мяса и молока крупного рогатого скота, производимых сельскохозяйственными предприятиями Ивановской и Костромской областей/ Н.И. Журавлёва, А.Г. Бубнов, В.И. Гриневич. // Безопасность в техносфере. 2011 - №3 - С. 13-20.

3. Журавлёва, Н.И.Оценка ущерба здоровью населения из-за химического загрязнения воды и продуктов питания. / А.Г. Бубнов, С.А. Буймова, В.И. Гриневич, Н.И. Журавлёва // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология, 2013. - Т.56. -Вып.З.-С. 7-12.

4. Журавлёва, Н.И. Миграция микроэлементов и тяжелых металлов из кормовых культур в продукты животноводства/ В.И. Иванов, Л.В. Гуркина, Н.И. Журавлёва, Е.А. Кузьменкова, И.Й. Кузьменков. //Проблемы региональной экологии. 2009 - № 6 - С. 246-251.

5. Журавлёва, Н.И. Тяжёлые металлы в продукции животноводства Ивановской области / Н.И. Журавлёва. // Материалы I Международной научно-практической интернет-конференции «Современные направления в диагностике, профилактике и терапии заболеваний животных»// Вестник ветеринарии. 2011 -№59-С. 112-113.

6. Журавлёва, Н.И. Экологические риски от употребления в пищу продукции животноводства сельскохозяйственных производителей Ивановской и Костромской областей/ Н.И. Журавлёва, А.Г. Бубнов, В.И. Гриневич, А.А. Чеснокова, М.А. Батырь. // Сборник научных статей I Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность и устойчивое развитие территорий», г. Чебоксары, 2011. - С. 22-25

7. Журавлёва, Н.И. Оценка уровня риска для здоровья населения из-за употребления в пищу продукции животноводства, содержащей соединения тяжёлых металлов/ Н.И. Журавлёва, А.Г. Бубнов, В.И. Гриневич. // Материалы Международной научно-практической конференции «Экология. Риск. Безопасность», г. Курган, 2010. -Т.2 -С. 135

г

8. Журавлёва, Н.И. Уровни загрязнения РЬ и Cd мяса и молока крупного рогатого скота, производимых в Ивановской и Костромской областях / Н.И. Журавлёва, А.Г. Бубнов, В.И. Гриневич. // Материалы Международной конференции «Проблемы экологии в современном свете учения В.И. Вернадского», г. Тамбов 2010 - Т 1 -С. 151-156.

9. Журавлёва, Н.И. Уровни загрязнения тяжёлыми металлами молока и мяса крупного рогатого скота, производимых сельскохозяйственными предприятиями Ивановской и Костромской областей / Н.И. Журавлёва, В.И. Гриневич, А.Г. Бубнов, К.В. Лебедева, Е.А. Васильева. // Материалы XIII Международной научно-технической конференции «Наукоёмкие химические технологии - 2010», г Иваново, 2010-С. 471-472.

10. Журавлёва, Н.И. Исследование уровня загрязнения продукции животноводства тяжёлыми металлами в Ивановской области / Н.И. Журавлёва. // Сборник статей Международной научно-технической конференции «Современные научно-практические достижения в ветеринарии», г. Киров, 2010 - В.1 - С. 76-79.

11. Журавлёва, Н.И. Экологическая оценка объектов окружающей природной среды - первый шаг к улучшению здоровья человека / JI.B. Гуркина, В.И. Иванов, Н.И. Журавлёва. // Доклады Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии», Тула, 2006. - Кн.1 - С. 32-35.

12. Журавлёва, Н.И. Поступление химических элементов в организм коров по алиментарным цепям и их выведение с молоком/ В.И. Иванов, Н.И. Журавлёва, Е.А. Кузьменкова, И.И. Кузьменков. // Доклады Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии», Тула, 2006. - Кн. 1 - С. 68-70.

13. Журавлёва, Н.И. Динамика содержания тяжёлых металлов в почве сельскохозяйственных предприятий Ивановской области / Н.И. Журавлёва. // Материалы Международной научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса», г. Иваново, 2011. - Т.2 - С 2729

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за неоценимую помощь и поддержку при выполнении работы научному руководителю д.х.н., профессору Гриневич Владимиру Ивановичу, а также: д.х.н., доц. А.Г. Бубнову, к.х.н., доц A.A. Гущину, к.х.н., доц. Т.В. Извековой, к.х.н., доц. С.А. Буймовой, ст.преп. H.A. Кобелевой.

Подписано в печать 14.05.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 1,03. Тираж 100 экз. Заказ 3227

ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет

Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата химических наук, Журавлева, Наталия Ивановна, Иваново

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ"

ИСТОЧНИКИ И СТОКИ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АНТРОПОГЕННО

ИЗМЕНЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ (НА ПРИМЕРЕ ИВАНОВСКОЙ И КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТЕЙ)

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА

ХИМИЧЕСКИХ НАУК

На правах рукописи

ЖУРАВЛЁВА НАТАЛИЯ ИВАНОВНА

03.02.08 - Экология

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор химических наук, профессор Гриневич В.И.

Иваново 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 8

1.1. Источники тяжёлых металлов в антропогенно измененных эко- ^ системах.

1.2. Аккумуляция тяжёлых металлов в снежном покрове. 13

1.3. Абиотическая трансформация тяжелых металлов в почве и воде. 15

1.4. Биотрансформация тяжелых металлов в почве и воде. 24

1.5. Аккумуляция тяжелых металлов в растениях. 35

1.6. Накопление тяжёлых металлов в организме травоядных. 39

Глава 2. МЕТОДИКИ И ОБЪЕКТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Характеристика объектов исследования. 50

3.3. Содержание металлов в почвах.

3.4. Содержание металлов в растениях.

2.1.1. Физико-географическая характеристика территории хозяйст- 51 ва Костромского района Костромской области.

2.1.2. Физико-географическая характеристика территорий хозяйств 52 Ивановской области.

2.2. Методы исследования. 54

2.2.1. Отбор и подготовка проб атмосферных осадков и воды. 54

2.2.1.1 .Подготовка проб талой, дождевой и питьевой воды к 55 определению в них содержания тяжелых металлов.

2.2.2. Отбор и подготовка проб почвы и растений.

2.2.2.1. Подготовка проб почвы и растений методом «мокрого» 55 озоления к определению в них содержания тяжелых металлов.

2.2.3. Отбор проб продукции животноводства. 2.2.3.1 .Подготовка проб продукции животноводства методом 53 «сухой» минерализации.

2.2.3.2. Подготовка проб продукции животноводства для определения хлорорганических пестицидов методом газожидкостной хроматографии.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ 63 ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Загрязненность атмосферных осадков.

3.2. Загрязненность воды, используемой для поения животных. 72

57

61

63

74 80

3.5. Загрязнение животноводческой продукции.

3.5.1. Мышцы крупного рогатого скота. 89

3.5.2. Печень крупного рогатого скота. 91

3.5.3. Почки крупного рогатого скота. 92

3.5.4. Молоко 96

3.5.5. Содержание в мясе и мясопродуктах хлорорганических пес- ^ тицидов.

3.6. Оценка экологического риска и его последствий, возникающего при употреблении в пищу исследуемой продукции 101 животноводства.

3.6.1. Оценка экологического риска и экономического ущерба при его ^ ^ ^ реализации.

3.6.2. Оценка риска сокращения ожидаемой продолжительности жизни | оу и экономического ущерба при его реализации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 11 о

БИБЛИОГРАФИЯ 111

ВВЕДЕНИЕ

В условиях нарастающего ухудшения экологической ситуации все большее внимание привлекает проблема загрязнения биосферы тяжёлыми металлами. Поступая из различных источников: выпадения атмосферных осадков (с учётом трансграничного переноса), выбросы отработанных газов автотранспорта и промышленного производства, тяжёлые металлы (ТМ) способны накапливаться в почвах в концентрациях, превышающих фоновый уровень. Большая часть элементов, поступающих в почву, включая ТМ, остаётся в подвижной форме и участвует в естественных биохимических циклах [1].

Известно, что в живых организмах ТМ играют двоякую роль. В малых количествах они входят в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальный ход процессов жизнедеятельности, являясь необходимыми для живых систем микроэлементами. Однако повышенное содержание этих металлов приводит к негативным последствиям для живых организмов

И-

Отметим, что к ТМ относят металлы, которые имеют плотность более 8 тыс. кг/м , в частности РЬ, Н§, Сё, Аб, Си, Ъп, N1 и др. Большинство ТМ являются кумулятивными ядами, иными словами, они постепенно накапливаются в организме человека, преимущественно в печени, поскольку скорость их естественного выведения очень низкая. Так, например, при отравлении соединениями РЬ в организме человека наблюдают нарушение процесса образования эритроцитов в костном мозге и блокирование синтеза гемоглобина, изменение состава крови, энцефалопатия, нарушение деятельности желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы, нарушение функции почек [2]. Эпидемиологические данные указывают на чрезвычайную опасность и соединений Сё для человека. Они очень медленно выводятся из организма и отравление ими может принимать хроническую форму. Соединения Сс1 нарушают функцию нервной системы, вызывает поражение почек, печени, лёгких, разрушает костяк скелета [3].

Контроль за содержанием химических элементов в растительной продукции, возможность его регулирования в трофической цепи, изучение зависимости состояния здоровья человека, животных, растений от биогеохимических условий среды - важнейшие задачи, стоящие на стыке различных областей естествознания. Уровень аккумуляции ксенобиотиков, тяжелых металлов в почве - важнейший фактор оценки агроэкологического состояния почв и регламентации антропогенеза в условиях современных тенденций развития производства [4].

Индикатором степени и качества токсической нагрузки тяжёлых металлов на человека и животных, живущих в определенном регионе, могут служить уровни содержания этих металлов в молоке, органах и тканях человека и теплокровных животных, в том числе травоядных. Однако наиболее удобным и доступным индикатором воздействия ТМ на организмы можно считать молоко, органы и ткани сельскохозяйственных животных, в первую очередь - КРС (крупного рогатого скота). Большим достоинством данного объекта индикации токсической нагрузки является неограниченность возможности отбора биоматериала и бездефицитность объемов, необходимых для проведения исследований, поскольку стада крупного рогатого скота имеются почти в каждом хозяйстве разных сельскохозяйственных регионов.

Отметим, что имеется большое количество результатов исследований по установлению зависимости состояния здоровья населения от степени загрязнения различных компонентов окружающей среды (в частности, атмосферного воздуха, воды), техногенной нагрузки, неблагоприятных условий проживания и несбалансированного питания.

Вместе с тем, несмотря на наличие информации о загрязнении экоток-сикантами объектов биосферы (воздух, вода, почвы), уровень содержания ТМ в пищевом сырье и продуктах питания, производимых непосредственно в Ивановской и Костромской областях, а также степень их влияния на состояние здоровья населения указанных регионов практически неизвестны.

Поэтому оценки уровней воздействия на естественные и антропогенно измененные экосистемы, а также выявление уровня загрязнения ТМ объектов окружающей среды, используемых в производстве сельскохозяйственной продукции, самой этой продукции: молока и мяса крупного рогатого скота (КРС), определение и анализ экологического риска при употреблении в пищу указанных продуктов являются актуальной задачей.

Целью данной работы было выявление уровней загрязнения антропогенно измененных экосистем ТМ, оценка коэффициентов биоаккумуляции в трофической цепи и расчет рисков здоровью населения Ивановской и Костромской областей.

Для достижения этих целей были выполнены:

- экспериментальные измерения содержания ТМ в снежном покрове, дождевой воде, почве, произрастающих на ней многолетних травах и питьевой воде, используемых в рационе КРС;

- исследование содержания ТМ в мясе, почках, печени и молоке крупного рогатого скота (КРС) в рассматриваемых сельскохозяйственных предприятиях;

- оценка коэффициентов биоакумуляции ТМ в трофической цепи и расчет рисков здоровью населения.

Новизна исследования заключается в следующем:

1) впервые для Ивановской и Костромской областей установлены критериальные загрязнители окружающей среды, а именно атмосферы (Си, Zn), артезианской воды (Си, Ъп, Бе), почвенного покрова (Бе, Сг. Си, №);

2) впервые для многолетних трав, произрастающих на территории Ивановской и Костромской областей, определены коэффициенты биоаккумуляции, которые оказались максимальными для Сг (0.5-1.0), № (0.2-0.8) и Zn (0.2-0.4). Минимальные коэффициенты биологического поглощения характерны для Бе и Мп;

3) установлено, что основными каналами поступления организм КРС Ъл и Си являются вода и травы, а Сё - кормовые добавки;

4) впервые выполнены оценки пожизненного индивидуального риска смерти при употреблении животноводческой продукции (3 и 4 ранг), а также впервые для жителей Ивановской и Костромской областей рассчитаны попу-ляционные риски и экономический ущерб от вероятной смерти при употреблении мяса и молока.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для прогноза изменения качества антропогенно измененных экосистем, а также для эколого-экономического обоснования необходимости развития АПК рассматриваемых регионов с мясо-молочным направлением производства.

Предложенная методика по расчёту вероятного ущерба от смертности населения и/или от ухудшения качества его жизни может быть использована для обоснования затрат на проведение природоохранных мероприятий, а также мер для обеспечения безопасности населения органами, уполномоченными в области защиты здоровья и обеспечения благополучия населения России.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Источники тяжёлых металлов в антропогенно измененных экосистемах.

Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами имеет прямое отношение к эколого-аналитическому мониторингу супертоксикантов, поскольку многие из них проявляют высокую токсичность уже в следовых количествах и способны концентрироваться в живых организмах [5].

По степени опасности химические элементы подразделяются на три класса (ГОСТ 17.4.1.02-83 [6])

Ь-Аб, С(1, Бе, РЬ,

2-В,Со,М,Мо, Си, 8Ь,Сг;

3 - Ва, V, \У, Мп, 8г.

Именно к ним можно применить термин "тяжёлые металлы" (ТМ), то есть элементы с атомной массой более 40 (классификация Дж. Вуда). Эти элементы входят в состав любых природных объектов. Многие из них относятся к числу биогенных элементов и в малых количествах в виде микроэлементов необходимы для поддержания всех форм жизни (медь, цинк, железо). Другие оказывают токсичное воздействие на экосистемы, присутствуя в почве даже в незначительных концентрациях. К ним относятся кадмий, свинец, ртуть, мышьяк, считающиеся наиболее опасными экотоксикантами.

В. Б. Ильин [7] считает, что роль тяжёлых металлов двойственна: с одной стороны, большинство из них необходимо для нормального протекания физиологических процессов, а с другой, при повышенных концентрациях они токсичны.

Тяжелые металлы обладают высокой токсичностью, способностью накапливаться в почвах, растениях и по пищевым цепям поступать в организм человека. Многие тяжелые металлы (2л, Со, Сг) необходимы для жизнедеятельности человека в микроскопических количествах, при превышении которых они становятся высокотоксичными. По некоторым оценкам, живые организмы не нужда-

ются в свинце, ртути, кадмии и т.д., поэтому эти элементы наиболее токсичны для животных и человека [8].

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Формально определению "тяжелые металлы" соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ.

Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля [9], в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях биосферных заповедников, в разделе тяжелые металлы рассмотрены РЬ, Н§, Сс1, Аб. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Ъл, Аб, 8е и БЬ были отнесены к тяжелым металлам.

По определению Н. Ф. Реймерса [10] отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только РЬ, Си, Ъл, №, Сё, Со, 8Ь, Бп, В1, В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще

всего добавляют Р1:, А§, \У, Бе, Аи, Мп.

Основные источники загрязнения природной среды тяжёлыми металлами можно разделить на естественные (природные) и искусственные (антропогенные). К естественным относят извержение вулканов, пыльные бури, лесные и степные пожары, морские соли, поднятые ветром, растительность и др. Главными, и наиболее опасными, источниками загрязнения природы тяжёлыми металлами являются антропогенные: предприятия по переработке чёрных и цветных металлов, тепловые электростанции и теплоцентрали, транспорт,

машиностроительная и химическая промышленность, сельскохозяйственное производство, жилищно-коммунальные комплексы [11].

Ряд исследователей [12,13,14] считают, что основными каналами поступления тяжёлых металлов в почву являются два пути: первый — из подстилающей породы, второй — с атмосферними выпадениями.

Следует отметить, что в 20 веке процесс химизации приобрёл широкое распространение, затронув сельскохозяйственное производство, лесное хозяйство, другие сферы человеческой деятельности. Химические препараты применялись в растениеводстве, для защиты и воспроизводства лесного фонда, для борьбы с вредоносными представителями флоры и фауны, для озеленения урбанизированных территорий. Создание и внедрение новых химических соединений и препаратов развивались опережающими темпами по сравнению с темпами изучения влияния последствий применения этих соединений и препаратов на окружающую среду и здоровье населения [15].

Исследования поступления больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих ТМ, показывает эмиссию различных элементов в зависимости от источника поступления (табл. 1).

По данным М.М. Овчаренко [17] агрохимическая служба Российской Федерации ежегодно обследует 25-28 млн. га пашни. Практически во всех регионах отмечаются пахотные угодья с повышенным уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами. Это происходит чаще всего за счет переноса выбросов газа, пыли от промышленных предприятий на агроэкосистемы. Автор указывает, что в большей степени почвы загрязнены вблизи городов, больших магистралей: свинцом, медью, никелем, кобальтом. Обнаруживаются тяжелые металлы в растениеводческой продукции даже при относительно невысоких уровнях их содержания в почвах. На полях, где вносятся оптимальные дозы удобрений и мелиорантов, в растениях, как правило, тяжелые металлы не обнаруживаются.

Таблица 1

Сельскохозяйственные источники загрязнения почв

различными элементами [16]

Поступление поллютантов, мг/кг сухой массы

Элемент при орошении сточными водами с фосфатными удобрениями с известью с азотными удобрениями с органическими удобрениями с пестицидами, %

As 2-26 2-1200 0,1-24,0 2,2-120 3-25 22-60

Cd 2-1500 0,1-170 0,04-0,1 0,05-8,5 0,3-0,8 -

Со 2-260 1-12 0,4-3,0 5,4-12 0,3-24 -

Сг 20-40600 66-245 10-15 3,2-19 5,2-55 -

Си 50-3300 1-300 2-125 1-15 2-60 12-50

F 2-740 8500-38000 300 - 7 18-45

Hg 0,1-55 0,01-1,2 0,05 0,3-2,9 0,09-0,2 0,8-42

Мп 60-3900 40-2000 40-1200 - 30-550 -

Мо 1-40 0,1-60 0,1-15 1-7 0,05-3 -

Ni 16-5300 7-38 10-20 7-34 7,8-30 -

Pb 50—3000 7-225 20-1250 2-27 6,6-15 60

Se 2-9 0,5-25 0,08-0,1 - 2,4 -

Sn 40-700 3-19 0,5-4,0 1,4-16,0 3,8 -

Zn 700-49000 50-1450 10-450 1-42 15-250 1,3-25

Р.Г. Мамин [15] отмечает, что тяжёлые металлы опасны для окружающей среды и населения из-за своей способности накапливаться в организме, вмешиваться в метаболический цикл, быстро изменять химическую форму при переходе из одной среды в другую, не подвергаясь биохимическому разложению. Наибольшее распространение в Российской Федерации по воздействию на окружающую среду и организм человека имеют свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, никель и медь. Накопление тяжёлых металлов характеризуется различными темпами, но особенно интенсивно накапливается цинк, свинец, кадмий, ртуть, для которых время удвоения концентрации в почвах составляет менее пяти лет.

Приводимые в различных работах оценки относительного поступления металлов в биосферу из антропогенных источников сильно варьируются. По мнению Н.Н.Роевой и соавторов [18], техногенная доля меди и цинка в атмосфере составляет примерно 75 %, свинца - 80 %, кадмия и ртути-50 %, никеля-30 %, кобальта- 10 %.

D.R. Miller и J.M.Buchanan [19] считают, что около 50 % ртути в атмосфере является антропогенной; в других исследованиях, как правило, оценки более низкие.

Все основные циклы миг