Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Накопление свинца и кадмия биологическими объектами разной сложности на селитебных территориях

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Накопление свинца и кадмия биологическими объектами разной сложности на селитебных территориях"

На тэавах рукописи

Серая Любовь Васильевна

НАКОПЛЕНИЕ СВИНЦА И КАДМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ РАЗНОЙ СЛОЖНОСТИ НА СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Специальность: 03.02.08 - «Экология»

Автореферат

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

3 1 окт 2013

005536686

Москва 2013

005536686

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ееькова Майя Дмитриевна, доктор биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет», кафедра биоэкологи, заведующая кафедрой

Соловьев Андрей Васильевич, доктор сельскохозяйственных наук, доцент ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет», кафедра агрохимии и агропочвоведения, заведующий кафедрой

Евтюхин Владимир Федорович, доктор биологических наук, ООО «Мещёрский Научно-Технический Центр», технический директор

ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт охраны природы»

Защита состоится «12» ноября 2013 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Юлиуса Фучика, д. 1, сайт Ьйр/Лух^.гдаги.ги

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Автореферат разослан «4» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

Сойнова Ольга Леонидовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Селитебные территории подвергаются возрастающему загрязнению, в котором значительное место занимает автомобильный транспорт. Рост автомобилизации населения, начавшийся в 90-е годы прошлого века, привёл к существенной отрицательной химической трансформации биотопа придорожной полосы. Прогнозируется, что к 2035 г. в Московской области автомобилизация населения достигнет 450 авт./тыс. жителей в год.

Густая сеть загруженных автотрасс в Подмосковье формирует расширяющуюся зону их влияния, включающую приусадебные территории, которые активно используются под огороды и сады, сельскохозяйственные угодья, пасеки, а также, тепличные хозяйства, в промышленных масштабах производящие овощи. Техногенное загрязнение продукции пчеловодства связано с загрязнением кормовой базы пчёл (Еськов Е.К. и др., 2011).

С эксплуатацией автотранспорта связано интенсивное поступление токсикантов в окружающую среду с выхлопами и при воздействии автомобилей на дорожное покрытие. Сгоранию этилированного топлива сопутствует выделение свинца (в литре бензина содержится до 0,5 г тетраэтилсвинца). При сгорании смазочных масел выделяется кадмий. Большое количество этого элемента образуется в результате истирания шин об асфальтобетон (Гальченко, 2008; Денисов и др., 2008; Матузова, 2009).

Свинец и кадмий, мигрируя по трофическим цепям, представляют угрозу экологической безопасности (Школьник МЛ., 1974; Ягодин Б.А., 1989; Ильин В.Б, 1991; Трахтенбсрг И.М., 1994; Шкуратова И.А., 2001; Вяйзенен Г.Н. и др., 2002; Бокова Т. И., 2005; Романенко A.A., 2006; Еськов Е.К., 2007; 2008; 2009; Еськова М.Д., 2012). Изложенным обуславливается актуальность изучения накопления свинца и кадмия организмами разной сложности, находящихся на селитебных территориях.

Цель и задачи исследования. Целью исследований являлось изучение накопления свинца и кадмия растениями и животными, находящимися на селитеб-

ных территориях.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Изучали накопление и локализацию свинца и кадмия разными органами и тканями растений.

2. Анализировали влияние удалённости от источника эмиссии токсикантов на их накопление некоторыми овощными культурами и медоносной растительностью.

3. Изучали влияние тепличных условий произрастания на загрязнение рассады овощных культур.

4. Анализировали влияние лесных массивов и осадков на загрязнение тяжелыми металлами медоносной растительности.

5. Изучали распространение свинца и кадмия в системе «растение-животное».

Научная новизна. Впервые установлено распределение свинца и кадмия в разных органах и тканях некоторых овощных культур и дикорастущих растений, произрастающих на селитебных территориях. Прослежена связь между потреблением кроликами растений, произрастающих вблизи автомагистрали, и содержанием тяжелых металлов в их внутренних органах и волосах. Определена роль лесных насаждений и осадков в накоплении тяжелых металлов медоносной растительностью и продукцией пчеловодства.

Теоретическая и практическая значимость работы. Сведения о накоплении свинца и кадмия разными органами и тканями растений, произрастающих на селитебных территория, важны для понимания влияния экологической ситуации на растительные объекты, что необходимо для совершенствования системы экологического мониторинга. Выявление закономерностей дифференцированного накопления поллютантов в плодах овощных культур (огурце и кабачке) способствуют повышению безопасности их потреблении. Подтверждена возможность использования волос кроликов для контроля загрязненности потребляемого ими корма.

Положения, выносимые на защиту:

- Разные органы и ткани растений неравномерно загрязнены свинцом и кадмием.

- Только значительная (на сотни метров) удалённость от автомагистрали и древесная растительность способствует существенному снижению их накопления однолетними овощными культурами и медоносной растительностью.

- Овощные культуры, произрастающие в теплицах вблизи загруженных автомагистралей, загрязняются свинцом и кадмием так же, как и при выращивании в открытом грунте рядом с автотрассой.

- Наличие лесополосы существенно снижает загрязнение медоносной растительности и продукции пчеловодства тяжёлыми металлами, а дождевая вода обеспечивает незначительное снижение загрязнения цветков химическими элементами.

- Свинец и кадмий распространяются в системе «растение-животное», загрязняя пищевые продукты, что можно контролировать по загрязнению волос.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на различных конференциях: Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития аграрного образования и науки» (Россия, г. Балашиха, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники» (Польша, г. Перемышль, 2011 г.); VII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки — 2011». Промышленность: Наука и исследования (Польша, г. Перемышль, 2011 г.); Международной научной конференции «Научные достижения биологии, химии и медицины в сфере экологии, здоровья и качества жизни человека» (Россия, Ульяновск, 2012 г.); Международной конференции XXVII Любищевские чтения — 2013 «Современные проблемы эволюции и экологии» (Россия, Ульяновск, 2013 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объём работы. Работа изложена на 119 стр. стандартного компьютерного набора, состоит из введения, 3-х глав, выводов, предложений производству. Библиографический список включает 287 источников, в том числе 49 иностранных авторов. Материал иллюстрирован 29 рисунками и 11 таблицами.

Обзор литературы. Проанализированы сведения об источниках и путях загрязнения организмов разной сложности поллютантами. Рассматривается ми-фация тяжелых металлов в трофических цепях.

Материалы и методы исследований. Исследования выполнены в 20092013 гг. на экспериментальной базе РГАЗУ с использованием в полевых исследованиях Центра защиты растений «Гартенбург» в г. Балашиха. В качестве объектов изучения использовали дикорастущие медоносные растения, овощные культуры, медоносных пчёл и кроликов.

Влияние экологических условий на развитие растений оценивали по комплексу морфометрических признаков, включающих общую массу целого растения, длину корня и надземной части, а также жизнеспособность растений.

Содержание химических элементов в изучаемых биообъектах (растениях, пчелах, продуктах пчеловодства, теле и шерсти кроликов) определяли методом атомно-адсорбционной спектрометрии (спектрометр КВАНТ-г.ЭТА). Процесс подготовки анализируемых проб заключался в их высушивании до постоянной массы и минерализации. Полную минерализацию проб проводили в герметически закрытых реактивных камерах аналитического автоклава (МКП-04) смесью азотной кислоты и пероксида водорода в соответствии с МУК 4.1.985-00 и МИ 2221-92. Минерализаты переводили на требуемый объем деионизированной водой.

Локализацию свинца и кадмия в разных органах и тканях растений изучали гистохимическим методом, основанном на использовании металлоиндикатора дитизона (дифенилтиокарбазона). Для этого лезвием бритвы готовили тонкие поперечные срезы. Корни разрезали, начиная с базальной стороны, а побеги - с верхушек. На срезы наносили свежеприготовленный дитизионосодержащий реа-

6

гент, дающий в местах локализации свинца красно-оранжевую, а кадмия - розово-красное окрашивание (Бабко, Пилипенко, 1968; Серёгин, Иванов, 1997; Есь-ков, Еськова, Серая, 2012). Окрашенные зоны выявляли при 10, 40 и 100-кратном увеличении на электронном микроскопе NikonEclipse Е200. Для фотофиксации применяли фотокамеру Nikon D3000 Kit.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Развитие однолетних овощных культур и календулы, находящихся на разном удалении от автотрассы. Исследование выполнено на салате {Lactuca sativa), укропе (Anethum graveolens), редисе {Raphanus sativus), огурце (Cucumis sativus), томате {Solarium lycopersicum) и календуле (Calendula officinalis). Одна часть этих растений произрастала на расстоянии до 100 м от автотрассы, другая - примерно в 3 км от нее. Оказалось, что у огурца, выращенного на значительном удалении от автомагистралей, масса целого растения составляла 54,6±6,2 г, длина надземной части 183,6±16 см, длина корня 13,8±1,5 см, а у выращенных вблизи автомагистрали, соответственно, 15,9±1,8 г, 63,6±12 см и 9,3±1,0 см. Сходное влияние близости автомагистрали обнаружено у укропа, томата и календулы. В отличие от этого, салат и редис, выращенные на большом удалении от дороги имели длину надземной части 18,9±1,9 и 14,1±1,9 см, а вблизи от дороги-26,6±1,0 и 25,5±1,1 см, соответственно.

На протяжении первых 1,5-2 мес. наблюдений овощные культуры и календула, произраставшие вблизи от дороги, не проявляли признаков угнетения и болезней. К началу октября редис, огурец, томат и календула имели пожелтение и усыхание надземной части. Те же растения на удалении от автотрассы не имели таких признаков, продолжая вегетационный период ещё в течение 2-х недель.

2. Локализация свинца и кадмия в растениях. На протяжении вегетационного периода, 3-кратно производили исследование срезов живых тканей салате салата (L. sativa), укропа (A. graveolens), редис (R. sativus), огурца (С. sativus), томата (S. lycopersicum), календулы (С. officinalis), дикорастущего лекарственного одуванчика (Taraxacum officinale).

Судя по результатам гистохимических исследований, свинец у изучаемых овощных культур и календулы локализовался преимущественно в покровных тканях и паренхиме надземной части и меньше - в проводящих тканях. Кадмий распределяется относительно равномерно во всех указанных тканях надземной части. Равномерно (см. ниже) эти элементы распределяются в тканях корней (табл.1).

Таблица 1. Локализация свинца и кадмия в тканях овощей и календулы (+ свинец, * кадмий, - не окрашивается)

Растение Надземная часть Корень

покровные ткани паренхима проводящая система покровные ткани паренхима проводящая система

Редис (R. sativus) ++ • • ++ ++ - - • -

Укроп (A. graveolens) ++ +++ • + • • -н- -и-•

Салат (L sativa) ++ + - ++ + +

Огурец (С. sativus) ++ ++ 44- + + +

Томат (S. lycopersi-cum) ++ • • -н- + • • + + • +

Календула (C.offlcinalis) + + + - -

В корнях свинец и кадмий определялись по окрашиванию в проводящих и покровных тканях (рис. 1-1.1), а также межклеточной паренхиме (рис. 1-1.1.а; 1.2) (рис.1-1.1), что согласуется с результатами других авторов (Ильин, 1991; Серёгин, Иванов,1998; Серёгин, Кожевникова, 2008) и подтверждает защитную функцию покровных тканей.

У надземной части интенсивно окрашиваются проводящие (рис.1-2.1; 2.2; 2.4), покровные (рис. 1-2.3) и межклеточные пространства прикорневой части (рис.1-2.1; 2.2; 2.4), что, очевидно, связано с миграцией металлов от корня к стеблю. Выше прикорневой зоны металлы локализуются чаще в покровных тканях и межклеточном веществе (рис. 1-2.1.а; 2.5).

г 1

Рис. 1. Локализация свинца и кадмия в живых тканях овощных культур и календулы 1-корень (1.1, 1.1.а-укропа; 1.2-огурца; 1.3-календулы), 2-стебель (2.1, 2.1.а, 2.1.б-укропа; 2.2-томата; 2.3, 2.3.а-салата; 2.4-огурца; 2.5-редиса), 3-корнеплод редиса, 4-лист редиса (К-ксилема; Ф-флоэма; П-паренхима; Э-эпидерма; Х-хлоренхима; ПС-паренхима стелы; стрелками обозначены зоны окрашивания).

В тканях корня редиса и календулы свинец и кадмий не определяются гистохимическим анализом (табл.1) (рис.1-1.3;3), несмотря на их наличие, что установлено атомно-адсорбционным методом. Очевидно, у редиса и календулы уро-

вень металлов в корне был ниже уровня, необходимого для окрашивания.

У всех исследуемых растений свинец и кадмий локализовался преимущественно в клеточных стенках (рис.1-2.3.а) и межклеточном веществе (рис.1-2.3.а; 4). Внутриклеточное присутствие свинца отмечается только у редиса в надземной части при 7-кратном превышении ПДК (рис. 1-2.5). У одуванчика локализация свинца отмечена в покровных тканях корня (рис.2-1) и проводящих тканях стебля (рис.2-2).

ц

Рис. 2. Локализация свинца в корне (1) и стебле (2) одуванчика (обозначения как на рис. 1)

Результаты раздельного анализа атомно-адсорбционным методом окрашиваемых и неокрашиваемых участков плодов огурца подтверждают наличие между ними различий по накоплению свинца. Но он обнаруживался также в относительно больших концентрациях в зонах, которые по результатам окрашивания были отнесены к свободным от этого элемента. В частности, в интенсивно окрашиваемых покровных тканях, содержание свинца составляло 1,44±0,25, а в не подвергавшихся окрашиванию - 0,43±0,09 мг/кг, т. е различалось в 3,3 раза (Р>0,999). Таким образом, гистохимический метод позволяет выявлять зоны, в которых происходит интенсивное накопление поллютантов. Однако это не позволяет определять их количество.

3. Аккумуляция свинца и кадмия овощными культурами, произрастающими на разном удалении от автомагистрали. Разные однолетние овощные культуры в зависимости от удаленности от автомагистрали при прочих равных условиях накапливали разное количество свинца и кадмия (табл. 2). Имела значение видовая специфичность растений. Наибольшими аккумуляционными способностями отличались надземные части салата. При удалении от автомагистрали с 10 до 50 м содержания в них свинца уменьшалось в 1,8 (Р>0,99) раза, а

кадмия - всего в 1,2 раза.

В надземной части редиса на расстоянии 8 — 10 м от автомагистрали свинца содержалось в 1,4 (Р>0,95) и на 49 - 51 м - в 1,3 (Р>0,9) раза меньше, чем у салата, у укропа - в 2,7 (Р>0,99) и 2,5 (Р>0,99), у томата - в 7,6 (Р>0,999) и 8,6 (Р>0,999), у огурца в 5,7 (Р>0,9) и в 3,5 (Р>0,99) раза соответственно. Сходную тенденцию зависимости от расстояния имели различия по содержанию кадмия в изучаемых растениях (табл. 2).

Корни отличались от надземной части по аккумуляции изучаемых элементов. Но только у салата и редиса на расстоянии 8 - 10 м надземная часть была загрязнена значительно сильнее корней. В надземной части салата свинца было больше, чем в корнях в 1,8 (Р>0,99), у редиса - в 1,6 (Р>0,95) раза. Уменьшению аккумуляции свинца растениями с удалением от автомагистрали сопутствовало снижение этого различия до статистически недостоверного уровня. Содержание кадмия во всей примерно 40-метровой полосе в надземной части и корнях не имело существенных различий (табл. 2).

Таблица 2. Аккумуляция свинца и кадмия растениями, произраставшими на разном удалении от автомагистрали

Растения Расстояние от автомагистрали, м

виды часть 8-10 49-51

РЬ, мг/кг Cd, мкг/кг РЬ, мг/кг Cd, мкг/кг

Салат (L. sativa) корни 2,75±0,16 288±17,1 2,58±0,32 229±16,9

надземная 4,87±0,27 271±13,5 2,67±0,29 226±17,б

Укроп (A. graveolens) корни 2,22±0,21 263±16,б 1,0б±0,13 387±2б,3

надземная 1,79±0,16 328±19,7 1,05±0,19 342±23,4

Томат (S. lycopersicum) корни 0,95±0,13 299±18,2 0,32±0,02 303±28,1

надземная 0,64±0,08 445±28,3 0,31 ±0,04 307±2,04

Редис (R. sativas) корни 2,23±0,11 82±12,4 2,06±0,11 54,2±3,14

надземная 3,53±0,19 106±13,1 2,09±0,16 95,4±10,4

Огурец (С. sativus) корни 0,74±0,11 179±0,02 1,39±0,07 358±0,03

надземная 0,84±0,01 46±0,01 0,75±0,20 118±0,03

В отличие от салата и редиса, корни укропа и томата в ближней полосе от

автотрассы содержали свинца больше, чем надземная часть соответственно в 1,2 (Р>0,9) и 1,5 (РХ>,95) раза. Увеличение расстояния до автомагистрали на 40 м отражалось на сближении концентраций свинца в корнях и надземной части.

Содержание кадмия в надземной части томата в ближней полосе было больше, чем в корнях в 1,5 (Р>0,95), у укропа в 1,2 (Р>0,9) раза. На более отдаленной полосе корни и надземные части этих растений сближались по содержанию кадмия (табл. 2).

Лесополоса уменьшает загрязнение овощной растительности. Салат (его листья), произраставший у дороги накапливал, свинца в 1,5 (Р>0,99), а кадмия в 1,3 (Р>0,95) раза больше, чем за лесополосой. Однако и за лесополосой загрязнение этими элементами салата превышало нормы СанПиН 2.3.2.1078-01 более чем в два раза. В частности, у автомагистрали содержание свинца составляло 2,235±0,197мг/кг, кадмия 212±15,4мкг/кг, а за лесополосой, соответственно 1,464±0,129мг/кг и 162±12,6мкг/кг. Загрязнению надземной части салата способствовало наличие крупной листовой поверхности, у огурца — опушение.

Итак, салат, отличавшийся особенно высокой активностью аккумуляции поллютантов, превосходил нормы СанПиН по содержанию свинца в его зеленой массе, в результате чего становился непригодным для потребления. Произраставшие в таких же условиях томаты характеризовались относительно невысокой загрязненностью.

4. Накопление однолетними овощными культурами и календулой свинца и кадмия в теплице и открытом грунте. При изменении условий выращивания (переносе из закрытого в открытый грунт) количество свинца и кадмия в корнях и надземных органах исследуемых растений существенно менялось. За время произрастания в теплице корнями календулы, укропа и томатов свинца было накоплено больше, чем надземными органами в 1,3 (Р=0,9), в 1,4 (Р>0,9) и в 2,3 (Р>0,99) раза, соответственно (табл. 3).

У редиса и, особенно у салата, наибольшей активностью накоплением элемента отличались надземные органы. Они у редиса содержали свинца в 1,4 (Р>0,9), у салата - в 2,1 (Р>0,99) раза больше, по сравнению с корнями.

12

Таблица 3. Динамика аккумуляции свинца растениями после их пересадки из теплицы в открытый грунт (мг/кг)

Растения После пересадки в грунт, мес.

виды органы исходно 1,0-1,2 2,0-2,2

Салат (L. sativa) корни 1,34±0,16 0,79±0,0б 2,63±0,16

надземные 2,73±0,25 0,91±0,17 3,77±0,27

Укроп (A. graveolens) корни 2,51±0,21 1,07±0,22 1,62±0,11

надземные 1,84±0,16 0,94±0,17 1,41±0,27

Календула (С. officinalis) корни 3,46±0,34 1,04±0,26 1,34±4,51

надземные 2,61±0,21 0,884±0,18 1,51 ±6,09

Томат (S. lycopersicum) корпи 1,32±0,29 1,05±0,27 0,77±0,18

надземные 0,56±0,17 0,32±0,09 0,47±0,11

Редис (R sativus) корнеплод 3,53±0,17 2,14±0,35 1,75±0Д9

листья 3,94±0,21 2,48±0,31 2,62±0,33

За два месяца произрастания в открытом грунте происходило разнонаправленное изменение содержания свинца в корнях и надземной части растений. У салата за первые 30-36 суток содержание элемента в корнях уменьшилось в 1,7 (Р>0,99), а в надземной части - в 3 (Р>0,99) раза. В дальнейшем, примерно еще за месяц, содержание свинца в растениях сильно возросло и превосходило исходные значения в корнях в 2 (Р>0,99) и надземных частях - в 1,4 (Р>0,9) раза. У укропа и календулы за первый месяц произрастания в открытом грунте, как и у салата, происходило уменьшение содержания свинца во всех частях. Но, в дальнейшем, увел1гчение количества элемента не достигло исходного уровня, который отмечался при произрастании в теплице.

У томатов в корнях и надземной массе содержание свинца уменьшалось, а затем - несущественно возрастало. У редиса в течение всего периода произрастания во всех частях загрязнение свинцом неуклонно уменьшалось (табл. 3).

Наибольшее количество кадмия за время произрастания в теплице накапливала надземная часть укропа, календулы и салата. Относительно высоким со-

держанием элемента в корнях отличались укроп и календула. Существенным различием по содержанию кадмия отличалась рассада салата. В его корнях концентрация элемента в 2,1 (Р>0,99) раза была ниже, чем в надземной части. У салата в надземных органах содержание кадмия уменьшилась в 2,3 (Р>0,99) раза. Этому сопутствовало незначительное увеличение содержания элемента в корнях. У редиса в корнеплодах и листьях содержание элемента в течение двух месяцев произрастания под открытым небом уменьшалось.

Сходная тенденция уменьшения кадмия прослеживалась у укропа. Томаты и календула увеличивали накопление элемента (табл. 4).

Таблица 4. Динамика накопления кадмия после пересадки из теплицы в открытый грунт (мкг/кг)

Растения После пересадки в грунт, мес.

виды органы исходно 1,0-1,2 2,0-2,2

Салат (L. sativa) корни 219±7,44 235±18,7 258±21,1

надземные 463±21,6 247±12,7 198±10,1

Укроп (A. graveolens) корпи 5б4±8,84 422±16,2 375±13,4

надземные 488±7,85 440±13,4 336±13,4

Календула (С. offlcinalis) корни 427±38,2 307±34,7 488±37,1

надземные 454±36,6 510±43,5 543±39,8

Томат (S. lycopersicum ) корни 287±22,1 278±18,б 307±21,9

надземные 234±18,6 316±22,8 387±26,3

Особенно высокой активностью поглощения свинца отличался салат, произрастающий в придорожной зоне. Загрязнение рассады в теплице кадмием и свинцом может быть связано с содержанием этих металлов в почвогрунтах, удобрениях, средствах защиты растений, а также с запылённостью воздуха вблизи автотрассы при отсутствии воздухоочистительных фильтров.

Таким образом, растения, произрастающие в теплицах, находящихся на селитебных территориях вблизи загруженных автомагистралей, загрязняются свинцом и кадмием сильнее или одинаково, как и при вегетации в открытом грунте рядом с автотрассой. В процессе роста под открытым небом содержание

этих токсикантов в вегетативных органах растений имеет разнонаправленную динамику, что, вероятно, определяется их видоспецифическими свойствами.

5. Факторы, влияющие на накопление свинца и кадмия медоносной растительностью. Расстояние от автомагистрали. У дикорастущего лекарственного одуванчика (Т. officinale) накопление свинца и кадмия отличалось в цветках и листьях, в зависимости от расстояния до автомагистрали (табл. 5). В листьях содержание свинца с увеличением расстояния с 10 до 500 м уменьшалось в 1,65 раза, а с 10 до 1000 м - в 2,43 раза (Р>0,99). Содержание кадмия в листьях при увеличении расстояния от автомагистрали в указанных пределах уменьшалось, соответственно в 1,22 и 1,37 раза (Р>0,95).

В цветках одуванчика в 10 м от автомагистрали содержание свинца было больше, чем в листьях в 2,3 раза. Это различие уменьшалось при удалении от автомагистрали - на расстоянии в 500 м составляло 1,9, а в 1000 м - 1,5 раза (Р> 0,99) (табл. 5).

Содержание свища в цветках одуванчика с увеличением расстояния от автомагистрали с 10 до 500 м уменьшалось в 2 раза (Р>0,99). Увеличение этого расстояния до 1000 м отражалось на уменьшении накопления свинца в 3,6 раза (Р>0,99).

Уменьшение кадмия при указанном увеличении расстояния уменьшалось, соответственно в 1,2 (Р>0,95) и 2 раза (Р>0,99).

Таблица 5. Накопление свинца и кадмия одуванчиком в зависимости от расстояния до

автомагистрали

Расстояние до трассы, м Накопление элементов

листьями цветками

РЬ, мг/кг Cd, мкг/кг РЬ, мг/кг Cd, мкг/кг

-10 1,19±0,183 193±16,3 2,74±0,588 161,1±4,4б

-500 0,72±0,125 157±22,2 1,37±0,083 132±12,5

-1000 0,49±0,093 141±16,4 0,76±0,049 79,4±7,16

По содержанию кадмия цветки и листья не имели статистически значимых различий у растений, произраставших в 10 и 500 м от автомагистрали (табл.5). В

1000 м от автомагистрали содержание кадмия в листьях было больше, чем в цветках в 1,8 раза (Р > 0,99).

Лесная полоса. Защиту для кормового участка пчел может представлять лесной массив. Это установлено на участках, находившихся на открытой территории на расстоянии около 500 м от автомагистрали и за лесной полосой на расстоянии 800 м от автомагистрали. Оказалось, что содержание свища и кадмия в цветочной пыльце варьировало в течение весенне-летнего сезона и зависело от защищенности лесной полосой от автомагистрали кормовых участков, используемых пчелами. При добывании цветочной пыльцы на незащищенном от автомагистрали кормовом участке содержание свинца от весны к осени возрастало в 1,24 раза, а кадмия - в 1,1 раза (Р >0,9) (табл. 6).

Таблица б. Сезонная динамика содержания свинца и кадмия в цветочной пыльце, собираемой пчелами на кормовом участке, незащищенном от автотрассы лесным массивом

Время года Cd, мкг/кг РЬ, мг/кг

Весна 96,7±0,07 2,26±0,16

Лето 74,3±0,06 2,44±0,17

Осень 107,1 ±0,09 2,81±0,19

ПДК для зерна 100 0,5

В весенний период в ней было меньше свинца в 2,1 раза, кадмия в 1,7 раза, а осенью - в 2,6 и 2,1 раза (Р > 0,99), соответственно.

Следовательно, медоносная растительность, произрастающая у автотрассы, подвергается существенному загрязнению свинцом и кадмием. Это представляет угрозу загрязнения корма пчел - нектара и пыльцы. По нормам СанПиН пыльца, собранная на открытом кормовом участке, незащищенном лесным массивом, непригодна к потреблению, поскольку содержание в ней свинца превосходила ПДК примерно в пять раз. Лесной массив, отделяющий кормой участок пчел от загрязнения выхлопами автомобилей, обеспечивал значительное снижение анализируемых элементов в пыльце.

Влияние дождя. Исследование выполнено на дикорастущем клевере красном (Trifolium prateme). Цветки клевера отбирали в разное время летнего сезона

16

через 5 дней сухой погоды и через несколько часов после дождя.

Установлено, что в большинстве случаев после дождя концентрация химических элементов, загрязняющих цветки клевера, уменьшалось. В частности, содержание свинца уменьшалось в среднем в 1,6 раза, кадмия в 1,3 и цинка и железа в 1,2 раза. Что касается меди, кобальта и цезия, то незначительное уменьшения этих элементов после дождя было статистически незначимым (табл. 7).

Таблица 7. Изменение загрязнения химическими элементами цветков клевера под влиянием смыва дозвдем

Содержание химических элементов в цветках

Элементы до дождя после дождя

РЬ, мг/кг 1,83±0,24 1,14±0,23

Сё, мкг/кг 59Д±4,18 43,7±3,21

Си, мг/кг 15,9±2,79 13,б±0,12

7,11, мг/кг 43,4±3,98 34,6±0,13

Со, мкг/кг 66,1±0,34 62,5±0,36

Ре, мг/кг 30,7±6,68 25,4±8,32

Сб, мкг/кг 36,1±0,11 34,4±0,16

Итак, дождевая вода обеспечивает незначительное снижение загрязнения цветков растений химическими элементами. Отмеченное в некоторых случаях увеличение загрязненности цветков, очевидно, не связано с наличием загрязняющих элементов в дождевой воде. Вероятно, смоченные дождевой водой сложные цветки клевера, интенсивнее накапливали элементы, содержавшиеся в воздухе.

6. Содержание свинца и кадмия в теле взрослых пчел и расплоде. Пчелиные семьи находились на открытой территории на расстоянии около 500 м от автомагистрали и за лесной полосой в 800 м от дороги. Содержание поллютан-тов в теле пчел, как и в растительных объектах, зависит от загрязненности используемых ими кормовых участков. Относительно высоким содержанием свинца и кадмия отличались развивавшиеся пчелы. Содержание кадмия в теле личинок и куколок было больше, чем у взрослых пчел примерно в 2,5 раза, а свинца -в 1,5 раза (табл. 8). В зоне, защищенной лесной полосой, свинца в теле личинок и

17

куколок было меньше, чем в незащищенной в 1,42 раза, кадмия - в 1,47 раза (Р>0,95). У взрослых пчел эти различия находились на уровнях 2,1 и 1,66 раз (Р>0,99).

Таблида 8. Содержание свиица и кадмия в теле взрослых и развивающихся пчел

Элементы Пчелиные семьи за лесной полосой

защищены не защищены

личинки и куколки взрослые пчелы личинки и куколки взрослые пчелы

Сё, мкг/кг РЬ, мг/кг 18,7±1,24 0,69±0,19 7,63±0,35 0,47±0,09 32,6±2,34 1,21±0,14 12,7±1,11 0,98±0,14

Таким образом, при питании кормом, загрязнённым свинцом и кадмием, происходит загрязнение пчёл (личинок и взрослых особей), что может способствовать их ослаблению и загрязнению продуктов пчеловодства.

7. Зависимость загрязненности тела кроликов от качества потребляемого корма. Использовались 2-х месячные кролики (порода - «Советская шиншилла»). Кролики содержались группами по 10 животных. В качестве одного из компонентов корма использовали салат, интенсивно накапливающий свинец надземной частью. Одна группа крольчат потребляла в качестве зеленого корма загрязненный (Б), другая - относительно чистый салат (А). Каждые 2 недели отбирали пробы шерсти, в конце опыта изымались части тела животных - мышца, печень, почки.

Потребление в течение трех недель более загрязненного салата повлияло на увеличение накопления анализируемых элементов внутренними органами. В печени содержание свинца возрастало в 1,3, а почках - 1,4 (Р>0,99) раза. При этом почти вдвое возрастало содержание этого элемента в мышечных тканях (табл. 9).

Повышенное содержание кадмия в салате отражалось на относительно небольшом увеличении его аккумуляции в печени и мышцах - в 1,14 и 1,23 (Р>0,9) раза, соответственно. Но это сильно влияло на накопление свинца почками. В них содержание элемента возрастало в 6 (Р>0,999) раз (табл. 9).

В значительной мере отличалась по загрязненности свинцом и кадмием шерсть кроликов, потреблявших салат с относительно высоким содержанием этих элементов (табл.9). Соответственно этому, содержание свинца в шерсти возрастало в 4,4 (Р>0,999), а кадмия - 14,6 раза (Р>0,999).

По нормам СанПиН 2.3.2.1078-01 в мясе допускается не более 0,5 мг/кг свинца и 50 мкг/кг кадмия. Для субпродуктов допускается свинца 0,6 мг/кг (1,0 мг/кг в почках), кадмия 0,3мг/кг (1,0 мг/кг в почках).

Кадмий накапливался в мясе обеих групп (табл. 9). Превышение уровня ПДК по свинцу отмечалось только в мясе животных, употреблявших салат, выращенный вблизи автотрассы (табл. 9). Значительное накопление свинца отмечено в печени животных обеих групп, несмотря на разницу в загрязнении свинцом корма А и Б, что согласуется с активной ролью печени в очищении от свинца (Козлов, 2001; Довженко и др., 2005; Грачёва, 2008). Наименее опасными (уровень кадмия и свинца не превышает ПДК) были почки (табл. 9).

Таблица 9. Накопление свннца и кадмия разпымп тканями тела и волосами кроликов, потреблявших в течение 28 суток салат, произраставший у автотрассы (А) и за лесополосой (Б)

Пробы Содержание

свинца, мг/кг кадмия, мкг/кг

А Б А Б

Мышцы 0,638±0,053 0,327±0,024 194±15 157±13

Печень 1,283±0,071 1,017±0,062 158±14 139±11

Почки 0,651±0,049 0,452±0,31 309±27 51±4,6

Волос 2,53 7±0,163 0,581±0,34 644±29 44±2,3

Между содержанием свинца и кадмия во внутренних органах кроликов и в волосе прослеживается прямая зависимость (табл. 9). Но в волосе содержание элементов, загрязняющих корм, возрастает сильнее, чем во внутренних органах. Это позволят использовать волос для прижизненного мониторинга загрязненности потребляемого корма и тела животных.

Следовательно, защищённость лесополосой и удалённость от источника свинца не исключает загрязнения корма, но не создаёт угрозы загрязнения мяса животных, потребляющих этот корм.

выводы

1. Надземные части овощных культур, произрастающих в открытом грунте на 9-50- метровой придорожной полосе, загрязняются преимущественно свинцом и меньше кадмием. Наибольшей эффективностью накопления этих элементов отличается салат, наименьшей — томат. Накопление поллютантов в овощных культурах отражается на их развитии.

2. В надземных вегетативных частях овощных культур и календулы свинец и кадмий локализуются преимущественно в покровных тканях и межклеточной паренхиме. В корне наряду с этим еще и в проводящих тканях.

3. Гистохимический метод не позволяет оценить количество свинца, накапливаемого растениями. Но, пользуясь этим методом, можно выявлять ткани и органы растений, в которых локализуется наибольшее количество поллютантов.

4. Растения, произрастающие в теплицах, находящихся на селитебных территориях вблизи загруженных автомагистралей, загрязняются свинцом и кадмием так же, как и в открытом грунте. В процессе роста под открытым небом содержание свинца и кадмия в вегетативных органах разных растений имеет разнонаправленную динамику, что, вероятно, обуславливается их видоспецифиче-скими свойствами.

5. Близость загруженной автотрассы оказывает сильное загрязняющее влияние на кормовые участки и тело пчел. Увеличение расстояния от автомагистрали до 1-2 км и наличие лесополосы снижает загрязнение медоносной растительности и тела пчёл свинцом и кадмием в 1,5-3,6 раза. Дождевая вода обеспечивает незначительное снижение загрязнения цветков медоносных растений химическими элементами.

6. Потребление кроликами салата, произрастающего у автотрассы, отражалось на загрязнении мяса и субпродуктов свинцом и кадмием до уровней, превышающих ПДК. Содержанием свинца и кадмия во внутренних органах кроликов находится в прямой зависимости от их содержания в волосах, что можно использовать для контроля загрязненности самих кроликов и потребляемого ими корма.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Гистохимический метод не позволяет определять реальную загрязненность растений поллютантами. Но, пользуясь этим методом, можно выявлять ткани и органы растений, подвергающихся при прочих равных условиях наибольшему загрязнению свинцом и, вероятно, многими другими тяжелыми металлами. На основании этого, для повышения экологической безопасности сельскохозяйственной продукции, можно рекомендовать ее дифференцированное использование, выражающееся в отчленении участков, которым свойственно высокое накопление поллютантов.

2. Волос кроликов можно использовать для прижизненного мониторинга загрязненности их тела свинцом и кадмием, а также потребляемого ими корма.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК

1. Еськов Е.К., Серая Л.В. Загрязнение свинцом и кадмием организма кроликов при потреблении растительности, произрастающей у автотрасс // Кролиководство и звероводство. 2011. №3. С.19-20.

2. Еськов Е.К., Серая Л.В. Аккумуляция свинца и кадмия внутренними органами и шерстью кроликов // Ветеринария и кормление. 2012. №3. С. 41-42.

3. Еськов Е.К., Еськова М.Д., Серая Л.В. Содержание свинца в растениях, произрастающих вблизи автотрасс // Земледелие. 2012. № 8. С. 10-11.

4. Еськов Е.К., Еськова М.Д., Серая Л.В. Атомно-адсорбционное и гистохимическое изучение аккумуляции свинца и кадмия растениями, произрастающими вблизи автомагистрали // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2012. № 2. С. 62-63.

Публикации в других журналах и изданиях

5. Серая Л.В. Влияние выхлопов автотранспорта на загрязнение укропа кадмием и свинцом // Материалы международной научно - практич. конф. ФГОУ ВПО РГАЗУ «Актуальные вопросы развития аграрного образования и науки». Москва.

2010. С. 172-175.

6. Еськов Е.К., Серая JI.B. Изучение гистохимическим и атомно-адсорбционным методами распределения свинца в корнях и листьях салата // Материалы Международной научно - практич. конф. «Перспективные разработки науки и техники». Польша, г. Перемьппль. 2011. С.11.

7. Еськов Е.К., Еськова М.Д., Серая JI.B. Сравнительный анализ накопления растениями свинца и кадмия в теплице и открытом грунте // Материалы VII Международной научно-практич. конф. «Актуальные проблемы современной науки -2011». Польша, г. Перемышль. 2011. Т. 23. С. 36 - 39

8. Серая Л.В. Использование дитизона для определения места накопления свинца и кадмия в овощных культурах // Московское научное обозрение. 2012. № 10-2. С. 45-47.

9. Серая Л.В. Изучение накопления и распределения свинца и кадмия в стебле и корне огурца в зоне антропогенного загрязнения // Современные проблемы эволюции и экологии. Сб. материалов Международной конф. Ульяновск. 2013. С.441-444.

10. Еськова М.Д., Серая Л.В. Факторы, влияющие на накопление тяжелых металлов медоносной растительностью и телом пчел // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2013. 14(19). С. 76-81.

Подписано в печать 03.10.2013 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 п.л. Заказ 497 Тираж 100 экз.

Издательство ФГБОУ ВПО РГАЗУ 143900, Балашиха 8 Московской области

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Серая, Любовь Васильевна, Москва

ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

На правах рукописи

04201362832

Серая Любовь Васильевна

НАКОПЛЕНИЕ СВИНЦА И КАДМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ РАЗНОЙ СЛОЖНОСТИ НА СЕЛИТЕБНЫХ

ТЕРРИТОРИЯХ

03.02.08 - «Экология»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук, доцент Еськова Майя Дмитриевна

Москва 2013

Оглавление

Введение 4

1. Обзор литературы 5

1.1. Тяжёлые металлы - часть окружающей среды 6

1.1.1. Источники тяжёлых металлов 7

1.1.2. Характеристики свинца и кадмия, причины их высокой 7 токсичности для организмов

1.2. Свинец и кадмий на селитебных территориях 11

1.2.1. Роль автотрассы в загрязнении свинцом и кадмием 14 окружающей среды селитебных территорий

1.2.2. Теплицы на селитебных территориях 19

1.3. Миграция свинца и кадмия по трофической цепи 20

1.3.1. Загрязнение почвы вблизи автотрасс 21

1.3.2. Загрязнение растений на селитебных территориях вблизи 22 автотрасс

1.3.3. Загрязнение медоносной растительности, пчёл и продуктов 31 пчеловодства вблизи автотрасс

1.3.4. Загрязнение животных, связанных с кормовой базой на 33

селитебной территории

1.3.5. Влияние свинца и кадмия в продуктах питания на человека 38

Цель и задачи исследования 41

2. Материалы и методы исследований 42

2.1. Условия и материал 42

2.2. Методы исследований 45

3. Результаты исследований и их обсуждение 48

3.1. Развитие однолетних овощных культур и календулы, 48 находящихся на разном удалении от автотрассы

3.2. Локализация свинца и кадмия в растениях 51

3.3. Аккумуляция свинца и кадмия овощными культурами, 68 произрастающими на разном удалении от автомагистрали

3.4. Накопление однолетними овощными культурами и 73 календулой свинца и кадмия при выращивании в теплице и открытом грунте

3.5. Факторы, влияющие на накопление свинца и кадмия 81 медоносной растительностью

3.5.1. Расстояние от автомагистрали 81

3.5.2. Лесная полоса 83

3.5.3. Влияние дождя 85

3.6. Содержание свинца и кадмия в теле взрослых пчел и 87 расплоде

3.7. Зависимость загрязненности тела кроликов от качества 88 потребляемого корма

Выводы 91

Практические предложения 92

Список используемой литературы 93

Введение

Актуальность темы

Селитебные территории подвергаются возрастающему загрязнению, в котором значительное место занимает автомобильный транспорт. Рост автомобилизации населения, начавшийся в 90-е годы прошлого века, привёл к существенной отрицательной химической трансформации биотопа придорожной полосы. Прогнозируется, что к 2035 г в Московской области автомобилизация населения достигнет 450 авт./тыс. жителей в год (Госавтоинспекция МВД...).

Густая сеть загруженных автотрасс в Подмосковье формирует расширяющуюся зону их влияния, включающую приусадебные территории, которые активно используются под огороды и сады, сельскохозяйственные угодья, пасеки, а также, тепличные хозяйства, в промышленных масштабах производящих овощи. Техногенное загрязнение продукции пчеловодства связано с загрязнением кормовой базы пчёл (Еськов Е.К. и др., 2011). Таким образом, удобство расположения производства сельскохозяйственных продуктов питания вблизи крупных городов и автотрасс создаёт опасность загрязнения антропогенными токсикантами - тяжёлыми металлами.

С эксплуатацией автотранспорта связано интенсивное поступление токсикантов в окружающую среду с выхлопами газов и при воздействии автомобилей на дорожное покрытие. Сгоранию этилированного топлива сопутствует выделение свинца (в литре бензина содержится до 0,5 г тетраэти л свинца). При сгорании смазочных масел выделяется кадмий. Большое количество этого элемента образуется в результате истирания шин об асфальтобетон. (Гальченко, 2008; Денисов и др., 2008; Матузова, 2009).

Свинец и кадмий, мигрируя по трофическим цепям, представляют угрозу экологической безопасности (Школьник М.Я., 1974; Ягодин Б.А., 1989; Ильин В.Б, 1991; Трахтенберг И.М., 1994; Шкуратова И.А., 2001; Вяйзенен Г.Н. и др., 2002; Бокова Т.Н., 2005; Романенко A.A., 2006; Еськов Е.К., 2007, 2008, 2009; Еськова М.Д., 2012). С этим связана актуальность изучения накопления свинца и

кадмия организмами разной сложности, находящихся на селитебных территориях.

1. Обзор литературы

Экономическое развитие, прогресс человеческой цивилизации и сама перспектива существования людей на Земле невозможны без переосмысления отношения к экологической безопасности (Бастман, 1995). Нерациональное природопользование при бурном индустриальном развитии - это тяжёлая социальная болезнь, порожденная человеческой деятельностью, результатом которой является загрязнение окружающей среды всевозможными токсическими веществами (Вронский, 1996; Агаджанян, Скальный, 2001). В нашей стране изучению химического состава биосферы, роли микроэлементов в жизнедеятельности человека и животных посвящены труды В. И. Вернадского (Вернадский, 1960), А.П. Виноградова (Виноградов, 1957) и В.В. Ковальского (Ковальский, 1974) - основоположника геохимической экологии и биогеографии химических элементов.

А.Е. Ферсман ввел термин "техногенез", связав загрязнение среды с антропогенными факторами (Соботович, Ольштынский, 1991; Фирсова, 1997). Техногенное загрязнение окружающей среды индустриального или антропогенного происхождения вызывает аномальное перераспределение химических элементов, меняя сложившиеся биогеоценозы (Ягодин и др., 1989; Фирсова, 1997; ЗйтоиЯауа, 1998; Щелкунов, 2000; Юфит, 2002).

Антропогенные токсиканты различны по составу и влиянию на окружающую среду. Самые опасные антропогенные загрязнители - это тяжёлые металлы, поскольку их антропогенные источники постоянно продуцируют эти токсиканты, являющиеся ксенобиотиками, в значительных количествах (Булгаков и др., 2003; Вяйзенен, Токарь, 2004; Вишняков, 2010).

1.1. Тяжёлые металлы - часть окружающей среды

Тяжелые металлы - химические элементы с относительной атомной массой более 40, плотностью более 5 г/куб. см (Pb, Си, Zn, Ni, Cd, Со, Sb, Sn, Bi, Hg) (Nieboer, Richardson, 1980; Ильин, 1985). Большинство таких элементов играют большую физиологическую роль в организме, присутствуя в нём в микродозах (Brown et al., 1987; Краснокутская и др. 1990; Сает и др. 1990). При нормальной концентрации и пограничных с дефицитом наличия элемента он является микроэлементом (Алексеев, 1987; Майстренко и др., 1996; Ильин, Сысо, 2001). Это так называемые микроэлементы в составе важных для организма соединений, например ферментов, гормонов, витаминов. Кроме того, как микроэлементы эти вещества входят в состав тканей и органов организмов (Ильин, 1991; Simpson et al., 1997; Пронина, 2000).

Микроэлемент при крайне отрицательной экологической обстановке и высокой или даже токсичной концентрации его доступных форм переходит в категорию токсиканта (Ягодин и др., 1989; Авцын и др., 1991; Давыдова, 1991; Пронина, 2000). Диапазон нормального содержания тяжёлых металлов, например, в растениях одного вида часто очень широк - минимальное содержание может отличаться от максимального в 20-40 раз (Ильин, 1991; Krzywy et al., 2002). Исследования отмечают у солей свинца и кадмия возможное стимулирующее действие низких концентраций на процессы жизнедеятельности некоторых растений, но свинец и кадмий нельзя назвать жизненно необходимыми элементами (Ильин, Сысо, 2001). Принято рассматривать их средние и высокие концентрации как токсичные

Hg (ртуть), РЬ (свинец), Cd (кадмий) называют «тяжёлыми», подчёркивая их токсичность даже в микродозах и рассматриваются в числе приоритетных загрязнителей с первой программы систем глобального мониторинга ООН 1979 года. Связано это со значительным антропогенным загрязнением этими металлами планеты в течение последнего столетия, когда их использование стало весьма широко в хозяйственной деятельности человека (Степанова, 2006).

1.1.1. Источники тяжёлых металлов

Из 100 % включенных сегодня в круговорот веществ тяжелых металлов основная часть - антропогенного происхождения: свинец- 94 - 97% (остальное -природные источники), кадмий - 84 - 89%, медь - 56 - 87%, никель - 66 - 75%, ртуть - 58% (Btichauer, 1973; Добровольский, 1980). Ежегодно в атмосферу выбрасываются антропогенные загрязнители (тысяч т/год): свинец - 332, цинк -132, никель - 56, кадмий - 7,6, ртуть- 3,6 (Школьник, 1974; Flanagan et al., 1980; Степанов, 1991; Трахтенберг и др., 1994). Это накопление вызывает аномалии в жизнедеятельности организмов (Freedman, Hutchinson, 1980; Архиреева, Онушкевич, 1992; Щелкунов, 2000; Kabala, Singh, 2001). Аномалии возможны на разных уровнях организации и в разной степени (Btichauer, 1973; Соботович, Ольштынский, 1991; Эйхлер, 1993; Матвеев, 1997).

По данным многих авторов промышленное производство, энергетика, автотранспорт, утилизация отходов уже способствовали накоплению в природе аномально большого количества тяжёлых металлов и продолжают активно пополнять это накопление (Sanita di Toppi, Gabbrielli, 1999). Антропогенные источники тяжёлых металлов давно превзошли природные геохимические аномалии, которые также являются источником этих металлов (Самкова, Трутчкнков, 1995; Тютиков, 2000; Catlett et al., 2002; Юфит, 2002; Таирова, 2006).

1.1.2. Характеристики свинца и кадмия, причины их высокой токсичности

для организмов

Согласно ГОСТ 83, тяжелые металлы кадмий и свинец являются

высокоопасными для человека с летальной дозой 200 мг на килограмм веса

человека при попадании в желудок и относятся к первому классу опасности для

окружающей среды (ГОСТ, 1985; Ильин, 1991). И свинец, и кадмий -

кумулятивные яды, период полувыведения кадмия составляет от 10 до 110 лет, а

свинца до 5900 лет (Adriano, 1986; Сает и др, 1990; Самкова, Трутчкнков, 1995;

Strivastava, Purnima, 1998). Загрязнение свинцом и кадмием часто сопутствуют

7

друг другу, имея единый источник антропогенного происхождения (Nieboer, Richardson, 1980; Sanita di Toppi, Gabbrielli, 1999; WHO, 2007). Так, в зоне автотрасс загрязнение свинцом и кадмием растений происходит корневым, а благодаря запылённости воздуха и некорневым путём (Kabala, Singh, 2001; Бокова, 2005).

Кадмий (Cadmium Cd), атомный номер 48, атомная масса 112,411 атомных единиц массы, в почвенном растворе Cd2+. Мягкий металл, по своим физико-химическим свойствам напоминающий цинк, сопутствует цинку и свинцу при добыче (Prasad, 1995). Благодаря своим свойствам он широко используется в производстве пигментов, полимеров, в гальванике, серебряно-кадмиевых аккумуляторов, входит в состав суперфосфата и фунгицидов (Кадмий, 1994). В окружающую среду попадает и при сжигании пластмасс, каменного угля, при курении табака (Beavington, 1973; Bazzaz, Govindjee, 1974; Hooda, Alloway, 1994).

Высокая растворимость кадмия в воде при увеличении кислотности способствует лёгкости его миграции в окружающей среде (Gworek et al., 2000; Zglicka, 2002; Казнина и др., 2006). Практически весь кадмий (70% и более), поступающий в почву, соединяется с почвенными комплексами, доступными для усвоения растениям. Кадмий часто легко поступает из почвы и атмосферы в пищевую цепь, обладает значительным эффектом накопления, не подвергается разложению и практически не выводится из организма (Минеев и др., 1981; Ягодин и др., 1989; Кадмий..., 1994; Бастман, 1995;). Токсичны растворимые соли кадмия. Кадмий может присутствовать в растворах, атмосферных примесях (туман, пыль, дым), что способствует поступлению его в организм через покровные ткани и дыхательную систему (Flanagan J. Т. et al., 1980; Гэлстон и др., 1983; Добровольский и др., 2003; Титов и др., 2007). При попадании в организм много кадмия усваивается в дыхательной системе (до 20 %), меньше в пищеварительном тракте (до 5-10%) (Большая Медицинская ...; Ouariti et al., 1997; Kupper et al., 2000).

Большинство исследователей связывают опасность кадмия для организмов с его кумулятивностью, а как следствие - мутагенными и канцерогенными свойствами, что представляет потенциальную генетическую опасность (Волошин, 2000; Маркарова, 2002; Казнина и др., 2006). Суммарная предельно допустимая концентрация (ПДК) кадмия при поступлении в организм человека не превышает 500 мкг/сутки. Безопасное содержание кадмия в организме, по данным всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), составляет 6.7-8.3 мкг/кг (Вронский, 1996; Вяйзенен и др., 2002; Гигиенические..., 2002). Кадмий токсичен при наличии в почве в дозе - 3 мг/кг, в биомассе при содержании 0.4 мг/кг (Beavington, 1973; Ильин, 1991). Предельно допустимые величины его в продуктах по санитарным нормам и правилам (СанПиН) 2.3.2.1078-01: в мясе -50 мкг/кг, печени - 0,5 мг/кг, почках - 1,0 мг/кг, овощах 0,03 мг/кг. По фитотоксичности и способности накапливаться в растениях он занимает первое место среди других тяжёлых металлов (Cd> Cu> Zn > Pb) (Prasad, 1995; Овчаренко и др., 1998; Vassilev, 2002; Waisberg et al., 2003).

Почвы селитебных территорий имеют низкий уровень плодородия и высокую кислотность, что при загрязнении кадмием ускоряет и увеличивает его миграцию в растения (Алексеева - Попова, 1983; Нестерова, 1989; Мельничук, 1990; Покровская, 1995; Едгорова, Алимджанова, 2003). В метаболизме растений кадмий является антагонистом ряда элементов питания (Zn, Си, Mn, Ni, Se, Са, Mg, Р). Включаясь в минеральный обмен растений, кадмий замедляет рост и развитие, способствует формированию компактной корневой системы (Мельничук, 1990; Серёгин, 2009), нарушаются водный, минеральный и гормональный обмены, дыхание, происходит спад активности ферментов, нарушается фотосинтез и обмен азота (Barcelo, Poschenrieder, 1990; Prasad, 1995; Sanita di Toppi, Gabbrielli, 1999; Серегин, Иванов, 2001). Поскольку кадмий обладает кумулятивностью, включаясь в трофическую цепь, опасны даже небольшие примеси этого элемента в организмах. Антропогенный кадмий изучен гораздо меньше, чем антропогенный свинец (Алексеев, 1987; Нестерова 1989; Орлов и др., 1991).

Свинец {Plumbum) Pb, атомный номер 82, атомная масса 207,2 атомных единиц массы. Свинец, названный «супертоксикантом 21 века» (Сает, 1987; Давыдова, Тагасов, 2002; WHO, 2007) крайне устойчив при попадании в почву, так как его ионы малоподвижны (Фелленберг, 1997; Снакин, 1998; Silbergeld, 2000). В почву переходит в виде оксидов, постепенно растворяясь и переходя в форму гидрооксидов, карбонатов и катионов (в ионную форму) (Ильин, 1991 Krzywy, 2002; Автухович, 2004). Антропогенными источниками свинца на планете являются металлургические и гальванические производства автотранспорт, военное производство, автомобильная, стекольная и лакокрасочная промышленность (Грачёва, 2008).

Смертельная доза уксуснокислого свинца для крупного рогатого скота составляет 200-300 мг/кг массы тела. Порог токсичности свинца для человека находится на уровне 1 мг/сутки. (Silbergeld, 2000; Раевич, 2001). Токсичная доза свинца в почве - 20,0 мг/кг (Beavington, 1975; Ильин, 1991). Валовое содержание свинца в почве - от 100 до 500 мг/кг вызывает явные симптомы интоксикации у растений (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, Сысо, 2001). По нормам СанПиН 2.3.2.1078-01 в овощах допускается свинца 0,5 мг/кг. Концентрация свинца выше 10 мг/кг сухого вещества является токсичной для большинства растений (Ильин, 1985; Salt et al., 1995; Добровольский, 1999; Макаров, 2002).

Поступая через корневую систему, свинец накапливается в тканях и

органах растений в виде отложений на стенках клеток в виде осадков и

кристаллов (Покровская, 1995; Таланова и др., 1999; Макарова, 2006). Ионы

свинца способны дезактивировать ферменты (поэтому его считают ферментным

ядом), вытесняя из них медь и цинк (Полевой, 1989; Нестерова, 1989;

Промышленные..., 1996; Григорьева, 2007). Физиологические нарушения у

загрязнённых свинцом растений проявляется в ходе процесса митоза,

поглощения воды, переноса электролитов через мембрану, ингибировании

дыхания и подавлении процесса фотосинтеза (Нестерова, 1989). Растения,

загрязнённые свинцом в дозе выше 10 мг/кг сухого вещества, теряют

полноценные листья, что внешне заметно изменением цвета, тургора, сухость,

ю

изменение формы листа (Полевой, 1989; Промышленные ..., 1996; Пронина, 2000). Так же, как и кадмий, свинец аккумулируется, попадая в трофическую цепь.

Несмотря на множество исследований влияния свинца и кадмия на живые организмы, данные по фактической загрязнённости конкретных объектов (растительных продуктах питания) актуальны, поскольку накопление этих элементов в окружающей среде обитания современного человека продолжается. Наряду с биологической оценкой состояния организма при воздействии токсикантов, часто необходима оценка количества и качества загрязнителей. Эта оценка осуществляется сегодня только в условиях лабораторий. В полевых условиях для проведения мониторинга загрязнённых естественных территорий экспресс-диагностика количества и качества тяжёлых металлов не разработана, данных в литературе о применении и результативности подобных приёмов мало (Серёгин, Иванов, 1997; Макарова, 2006).

Изучение миграции свинца и кадмия в звеньях пищевой цепи также актуально, поскольку, несмотря на многолетние исследования, неясны вопросы миграции этих загрязнителей в надземной части растительных организмов. Известно, что эти процессы носят весьма специфичный для каждого вида растений характер. Противоречивы данные о динамике аккумуляции этих токсикантов в животных организмах, связанных с загрязнённой трофической цепью: разные исследователи констатируют как увеличение, так и уменьшение количества свинца и кадмия при накоплении в звеньях пище�