Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Содержание и транслокация поллютантов в компонентах антропогенно измененных биогеоценозов в условиях Республики Мордовия

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Содержание и транслокация поллютантов в компонентах антропогенно измененных биогеоценозов в условиях Республики Мордовия"

На правах рукописи

ПУГАЕВ Сергей Васильевич

СОДЕРЖАНИЕ И ТРАНСЛОКАЦИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ В КОМПОНЕНТАХ АНТРОПОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ

Специальность 03. 02. 08 — экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 г ДЕК 2013

Нижний Новгород 2013

00554оо

005543815

Таблица 1

Валовое содержание ТМ в почвах агропочвенных районов Республики Мордовия

Рай он Pb Zn Си Ni Co Fe (x ltf) Mn Cr

мг/кг воздушно-сухой массы почвы

I 26,11±0,78 66,64±1,18 30,27±1,31 32,13±0,71 12,08±0,46 31,02±0,45 1 213,45±19,36 85,62±1,15

II 17,26±0,63 55,50±1,75 19,76±0,80 32,37±0,97 15,90±0,65 37,21±0,59 676,80±17,82 81,42±1,88

III 14,22±0,49 53,76±1,02 21,99±0,82 43,79±1,67 19,58±0,56 41,86±0,31 902,73±23,83 73,38±1,02

IV 15,67±0,45 59,50±1,14 23,04±0,81 43,66±0,98 20,94±0,36 44,75±0,19 868,75±15,05 66,89±0,81

одк 30 100 55 65 25 38 1 500 100

кларк 16 83 47 58 18 42 1 000 83

Коэффициент вариации, %

I 72,07 42,54 103,59 52,77 90,33 34,67 38,23 32,17

II 68,86 59,35 75,81 56,28 77,03 29,90 49,67 43,37

III 74,47 41,18 80,32 82,13 61,71 16,09 57,05 29,96

IV 88,67 58,87 107,47 68,82 47,94 12,76 53,18 37,27

Отсутствие значимого различия по 1с1 (при Р=0,05) между районами *

II/III; II/IV II/III; II/IV; III/IV I/II; III/IV III/IV I/II

Обозначения: (*) между остальными районами значимое различие (при Р=0,05) имеется.

Оценки загрязненности почв агропочвенных районов ТМ по относительным концентрационным коэффициентам на основе фоновых величин ОДК (Кодк) и средним кларкам концентрации металлов на основе мировых кларков (Кс) совпали и составили для районов ряд: I > IV > III > II (рис. 2). Выявленная величина Кс> 1,0 указывает на накопление почвами металлов выше кларка: РЬ (районы I и II), Со (III и IV), Ре (IV), Мп, Сг (район I). От района I к району IV выявлены тенденции снижения Кс для РЬ, Хп, Си, Мп и Сг, и возрастания для №, Со, Ре. Максимум Кс отмечен для РЬ в районе I (> 1,5). Кс для гп, Си и N1 отличались минимальными значениями.

Суммарные показатели загрязнения почв ТМ Х„.щ=5,55 и 7.^=1,21 свидетельствуют о допустимом (2.<\6) загрязнении почв РМ и невысоком уровне антропогенной нагрузки (Эколого-гсохимическая оценка..., 1993).

2

и

| 5

3 I

Ё.2

сз .

5 в 1

си §

± СЗ

I & 0,5

о. Я

с? а

X §

РЬ гп Си N1 Со Ре Мп Сг

[3 1 □ 2 га 3 □ 4

Рис. 2. Средние кларки концентраций ТМ (Кс) относительно мирового кларка для почв агропочвенных районов РМ. Обозначения: 1 - 4 - агропочвенныс районы.

При изучении миграции ТМ в профиле почв различных типов в ходе вегетации выявлено, что максимальный уровень ТМ оказался в черноземной и пойменной почвах, а минимальный - в темно-серой лесной и дерново-подзолистой. Выявлена тенденция снижения концентрации практически всех ТМ к концу вегетационного периода в пахотном и подпахотном слоях.

На примере Мп, как модельного металла, определяли ПФ, у которой, кроме дерново-подзолистой почвы, основной объем и максимальная степень подвижности металла выявлены в пахотном горизонте. В темно-серой лесной почве его подвижность была выше, чем в других.

Особенности накопления ТМ в природных водах агропочвенных районов 1-У РМ выявляли в поверхностных и подземных водах. Поверхностные воды, как наиболее подверженные антропогенному влиянию и смывам с почвы, имели повышенное содержание ТМ: в районе I - Си, во II - Сг, во II и III - Ре, Мп, в III и IV - №, в IV - РЬ, Ъа, Сг, в V - Ъл (табл. 2).

Таблица 3

Содержание ТМ в объектах дендрария

Растения са I РЬ | Си I Мп | 2п Ре

Листовой аппарат Содержание, мг/кг воздушно-сухой массы листьев

Листв. деревья 0,119±0,042 1,96±0,16 4,28±0,38 45,89±14,49 15,62±2,25 153,50±24,85

Листв. кустарники 0,083±0,029 2,19±0,21 5,13±0,64 81,71±25,79 18,26±4,08 15б,48±35,39

Хвойные 0,059±0,008 1,50±0,12* 3,68±0,41 69,92±10,31 27,89±3,77 145,96±18,67

Корреляции металлов

Аборигенные РЬ-Си=0,79; РЬ-Ре=0,72; Си-Ре=0,бб

Интродуцированные РЬ-Си=0,60; РЬ-Ре=0,54; Сс1-гп=0,44; Мп-2п=0,70

Кислото растворимые формы ТМ Содержание, мг/кг воздушно-сухой массы почвы (Сс1 х 10'* ;£ех 103)

Листв. деревья 100,44±9,07 1б,88±1,53 13,88±1,12 4бЗ,20±27,12 38,50±3,94 20,24±1,29

Листв. кустарники 84,71 ±9,50 14,90±1,1 3 21,54±7,83 403,61±54,06 43,60±7,99 27,5б±6,74

Хвойные 143,33±15,75 20,46±2,18 17,50±2,14 431,45±35,8б 94,77±43,40 26,37±1,80

Корреляции металлов

Аборигенные РЬ-гп=0,61; Са-Ре=0,б4; гп-Ре=0,68

Интродуцированные РЬ-гп=0,46; РЬ-Си=0,94; Сс1-2п=0,48; Сс1-Си=0,б5; Сс1-РЬ=0,б6; РЬ-Мп=0,71; Си-Мп=0,70; Си-2п=0,49

Содержание, мг/кг воздушно-сухой массы почвы |

Подвижные формы ТМ почвы Лиственные деревья 0,029±0,003 2,14±0,24 0,2б±0,03 17,4б±1,09 6,82±4,72 6,33±1,03

Листв. кустарники 0,034±0,005 1,79±0,27 0,30±0,05 19,15±2,94 3,13±2,14 4,87±1,22

Хвойные 0,041±0,007 2,04±0,22 0,27±0,02 22,4б±5,51 12,88±9,54 3,98±0,29

Корреляции металлов

Аборигенные Сс1-гп=0,б2; РЬ-Си=0,61; Мп-Ре=0,72

Интродуцированные С(3-Си=0,44

Виды с КБП >1

Количество, шт. (всего-9) | 8 1 1 " 1 2 -

Обозначения: (*) - значимые различия по гс! при Р=0,05 с другими группами растений дендрария.

Взаимное влияние почвы и древесных растений на накопление ТМ изучали в ботаническом саду МГУ им. Н.П. Огарева. Выявлено, что содержание ТМ в листовом аппарате у разных видов интродуцированных и аборигенных лиственных и хвойных деревьев и кустарников, а также в подкроновой почве значительно различалось (табл. 3), особенно у лиственных деревьев. Более высокое содержание ТМ в листьях выявлено для робинии ложноакациевой (РЬ, Си, Ре), тополя бальзамического (Сс1, Ъп), ивы пятитычинковой (Мп), лещины обыкновенной (РЬ, Си, Мп), ели колючей (2п). Максимальным отмечено содержание в листьях кустарников (Мп) и деревьев (Сф, в хвое (2.п). Несмотря на то, что исследованные объекты росли на близком расстоянии друг от друга, содержание КРФ и ПФ ТМ в подкроновой почве деревьев сильно варьировало. Под хвойными видами выявлено повышенное содержание КРФ Сс1 и Ъп. В тоже время варьирование ПФ металлов было выше, чем КРФ.

Степень подвижности ТМ в почве зависела от вида растения и была максимальной под лиственными деревьями и кустарниками, причем под некоторыми растениями сразу по нескольким ТМ, например под тополем бальзамическим (С(1, Си, Мп), под кленом Гиннала (Сс1 -100 %, Си); кизильником черноплодным (Сё -100 %, РЬ), под бузиной кистевидной (РЬ, Ъл, Ре), под елью колючей (РЬ, Мп, Ре). Следовательно, растения оказывали существенное влияние на изменение фракционного состава и СП ТМ в почве под своей кроной, особенно по Сс1.

Корреляционные связи между металлами как в листовом аппарате аборигенных и интродуцированных видов, так и в почве под ними отличались количеством пар металлов. Отмечены одинаковые пары, но с разной силой связи.

КБП ТМ растениями сильно варьировали, при этом высокие коэффициенты не всегда соответствовали высокой подвижности или содержанию ПФ ТМ в почве. Гипераккумулирующими свойствами (КБП> 1,0) из 34-х видов обладали 9, среди них 8 - по С±

Таким образом, древесные растения активно регулировали поглощение ТМ, а также изменяли содержание и подвижность ТМ в почве.

Глава 5. Агроэкологические особенности накопления поллютантов в компонентах агроценозов

Накопление ТМ в продуктивной части растений выявляли в агропочвенных районах I, III и IVРМ. Максимальным уровнем ТМ выделялись культуры: в районе I -горох (Си), озимая пшеница и ячмень (N0; в районе III - овес (все металлы); в районе IV - горох (РЬ), озимая пшеница (все ТМ, кроме РЬ). Поскольку содержание Со и Сг в зерне из разных агропочвенных районов значимо (Р=0,05) не различалось, то на рисунке 3 в качестве примера детально представлены особенности содержания РЬ, Хп, Си и Ре в семенах двух видов растений из разных семейств.

пшеница озимая

пшеница озимая

Районы:

-III

-IV

Рис. 3. Содержание ТМ в семенах пшеницы озимой и гороха, мг/кг сухой массы.

Расчет КБП показал, что интенсивность накопления ТМ варьировала как по видам растений, так и по районам для семян одной культуры (табл. 4). По величине КБП преобладали эссенциальные 7л и Си, в отличие от неэссенциальных РЬ и Сг. Накопление других металлов зависело от вида растений и района произрастания. Среди агропочвенных районов РМ наиболее интенсивное поглощение ТМ выявлено у культур из района III, далее из района IV и, самое низкие величины КБП (кроме №), отмечены в районе I.

Таким образом, уровень аккумуляции ТМ в зерне не был прямо пропорционален содержанию ТМ в почвах.

Региональные особенности накопления радионуклидов растениеводческой продукцией. Количество радионуклидов, накапливаемых растущими растениями, зависит от разных факторов. Коэффициенты перехода (КП) '"Се и <х15г варьировали у исследованных культур, выращенных как на одном типе почвы с разным гранулометрическим составом, так и на разных типах с одинаковым гранулометрическим составом. Авария на ЧАЭС привела к повышению количества '"Се в почве на ряде участков в РМ. В продукции проявилась тенденция к увеличению содержания (в том числе значимых при Р=0,05) и КП ,37Сй. В то же время для ®°8г обнаружены неодинаковые тенденции: у некоторых растений наблюдали снижение его концентрации (в соломе), в других - увеличение (в зерне).

Влияние агрохимикатов на трапелокацию и накопление ТМ в компонентах агроценозов: почве, воде и растениях исследовали в экспериментах.

Содержание и миграцию ТМ под влиянием длительного применения минеральных удобрений и средств защиты растений изучали в полевом лизиметрическом опыте. Выявлено, что в пахотном слое почвы применение пестицидов и разных доз удобрений вызвало тенденцию к накоплению РЬ, Си, Со, Мп и Сг. Миграционная активность РЬ и Си в профиле почвы до 1 м значимо (при Р=0,05) повышалась при использовании средств защиты растений.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Пугаев, Сергей Васильевич, Саранск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» (ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева»)

На правах рукописи

04201454309

ПУГАЕВ Сергей Васильевич

СОДЕРЖАНИЕ И ТРАНСЛОКАЦИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ В КОМПОНЕНТАХ АНТРОПОГЕННО-ИЗМЕНЕННЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ

Специальность 03. 02. 08 — Экология (биология)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель — Заслуженный деятель науки Республики Мордовия, доктор биологических наук, профессор Лукаткин Александр Степанович

Саранск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. АНТРОПОГЕННЫЕ ПОЛЛЮТАНТЫ И ИХ ДЕЙСТВИЕ НА КОМПОНЕНТЫ БИОГЕОЦЕНОЗОВ 10

1Л. Основные токсиканты, их действие на живые организмы 10

1.2. Роль почвы в аккумуляции и нейтрализации тяжелых металлов

и радионуклидов 14

1.3. Природные воды и воздействие на них тяжелых металлов 19

1.4. Поглощение и накопление тяжелых металлов и радионуклидов растениями 24

ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 34

2.1. Природная характеристика территории Республики Мордовия 34

2.2. Объекты исследования 35

2.3. Постановка экспериментов 37

2.4. Методы работы 43

2.5. Статистическая обработка 46 ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ И МИГРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

В ПРИРОДНЫХ СРЕДАХ (ПОЧВАХ И ВОДАХ)

РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ 45

3.1 Уровень тяжелых металлов в почвах Мордовии 45

3.1.1. Содержание тяжелых металлов по агропочвенным районам Республики Мордовия 45

3.1.2. Миграция тяжелых металлов в профиле почв разных

типов 50

3.1.3. Содержание и миграция тяжелых металлов в почвенном профиле полевого лизиметра под влиянием длительного применения минеральных удобрений и средств защиты растений 60 3.2. Тяжелые металлы в природных водах Республики Мордовия 64

3.2.1. Тяжелые металлы в поверхностных и подземных водах 64

3.2.2. Содержание и миграция тяжелых металлов в лизиметричес кие воды под влиянием длительного применения минеральных удобрений и средств защиты растений 68

ГЛАВА 4. НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В КОМПОНЕНТАХ АНТРОПОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ 71

4.1. Поглощение тяжелых металлов дикорастущими травами 71

4.2. Взаимное влияние почвы и древесных растений на накопление тяжелых металлов 77

ГЛАВА 5. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ В КОМПОНЕНТАХ АГРОЦЕНОЗОВ 107

5.1. Содержание тяжелых металлов в продуктивной части растений

в агропочвенных районах Республики Мордовия 107

5.2. Региональные особенности накопления радионуклидов растениеводческой продукцией 114

5.3. Влияние агрохимикатов на транслокацию и накопление тяжелых металлов в почве и растениях 125

5.3.1. Удобрение и накопление тяжелых металлов в почве

и биомассе козлятника восточного 125

5.3.2. Аккумуляция тяжелых металлов растениями

в полевом лизиметрическом опыте 134

5.4. Воздействие синтетических цитокининовых препаратов

на накопление ТМ растениями огурца 143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155

ВЫВОДЫ 159

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 161

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ААБ рН-4,8 -аммонийно-ацетатный буфер с рН 4,8

ААМ - атомно-абсорбционный метод

БК - барьерный коэффициент

ЕКО - емкость катионного обмена

КБП - коэффициент биологического поглощения

К0Дк - относительный концентрационный коэффициент на основе фоновой величины ОДК

Кс - кларк концентрации металла относительно земной коры

КП - коэффициент перехода

МРФ - метод рентгеновской флуориметрии

ОДК - ориентировочно-допустимая концентрация

ОСВ - осадок сточных вод

ПДК - предельно-допустимая концентрация

ПИК - почвенно-поглощающий комплекс

рНС0Л - солевая вытяжка из почвы

РН - радионуклиды

РМ - Республика Мордовия

ТМ - тяжелые металлы

ЧАЭС - Чернобыльская атомная электростанция V - коэффициент вариации

Zc - суммарный кларк концентрации металла относительно земной коры £одк - суммарный относительный концентрационный коэффициент на основе ориентировочно-допустимой концентрации ОДК

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. С интенсивным развитием промышленно-энергетического потенциала происходит трансформация химического состава компонентов природной среды, увеличивается содержание химических элементов и соединений, причем, в количествах, во много раз превосходящих естественный фон. Изменяется буферность почвы, ее биологические и другие свойства. В результате биогеоценозы уже не в состоянии справиться с нарастающим валом техногенных воздействий, загрязняются сельскохозяйственные угодья, утрачивается почвенное плодородие (Ягодин Б.А. и др., 1996; Тазет-динова Д.И. и др., 2009).

Большую опасность для живых организмов представляют тяжелые металлы (ТМ) и радионуклиды (РН), устойчивые в среде и обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами (Гуральчук Ж.З., 1994; Милащенко Н.З. и др., 2000; Алексахин P.M. и др., 2001; Панов А.В. и др., 2005; Prasad M.N.V., Freitas Н., 2006). Накапливаясь в естественных и антропогенно измененных биогеоценозах, они снижают продуктивность культурных растений, ухудшают качество продукции (Черных Н.А. и др., 1999).

Наличие разных форм ТМ предполагает их детальное изучение в искусственных ценозах в сравнении с природными (Мотузова Г.В., 1999; Ладонин Д.В., Карпухин М.М., 2004; Мажайский Ю.А., Торбатов С.А., Кондрашова Ю.А., 2009). В случае существенного отличия регионального фона от глобального можно или не заметить начавшееся техногенное загрязнение местного почвенного покрова, или, напротив, принять естественный региональный фон за результат техногенного воздействия (Глазовская М.А., 1999; Ильин В.Б. и др., 2003; Методические указания ..., 2004).

Исходя из этого, необходимы исследования содержания и миграции ТМ и РН в компонентах антропогенно измененных биогеоценозов, а также разработка научно-обоснованных приемов по защите продукции от экотоксикантов, по снижению их поступления в растения, как звено пищевой цепи (Черных Н.А.,

Милащенко Н.З., Ладонин Д.Ф., 1999; Прасад М.Н.В., 2003; Гудков И.Н., 2008).

В связи с этим целью нашей работы было изучение содержания, накопления и транслокации техногенных поллютантов (тяжелых металлов и радионуклидов) в системе почва-вода-растение антропогенно измененных биогеоценозов в условиях Республики Мордовия (РМ).

В задачи исследований входило: 1. Исследовать региональный уровень и транслокацию поллютантов (тяжелых металлов и радионуклидов) в почвах, водах и растениях в связи с агропочвенным районированием РМ.

2. Исследовать влияние свойств почв и агрохимикатов (удобрений, средств защиты и регуляторов роста растений) на миграцию тяжелых металлов и радионуклидов в компонентах агроценозов.

3. Изучить накопление тяжелых металлов дикорастущими травянистыми и древесными растениями в естественных и антропогенно измененных условиях произрастания.

4. Оценить влияние древесных растений на содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов и степень их подвижности в почве антропогенно измененных биогеоценозов.

Положения, выносимые на защиту: 1. Количество поллютантов в почвах, природных водах и растениях определяется их местоположением в системе аг-ропочвенного районирования и соотношением естественных и техногенных факторов. В агропочвенных районах проявляются миграционные особенности тяжелых металлов по отношению сопредельных сред: почва, вода, растения.

2. Акумулирование ТМ и РН растениями и компонентами урожая ви-доспецифично, зависит от свойств почв и уровня антропогенной нагрузки на биогеоценозы. Растения активно влияют на накопление, фракционный состав и подвижность тяжелых металлов в почве.

3. Удобрения, средства защиты и регуляторы роста растений оказывают модифицирующее действие на накопление и транслокацию ТМ культурными растениями.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является обобщением результатов исследований автора, проведенных в 1995-2013 г. г. Полевые исследования и анализы проведены автором совместно с сотрудниками ФГУ ГЦАС «Мордовский», МГУ им. Н.П. Огарева, обработка полученных данных выполнена самостоятельно. Обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны автором и обсуждались с научным руководителем.

Научная новизна. Впервые получены данные регионального фона валового содержания ТМ и оценка их миграции в основных типах пахотных почв РМ. Установлены уровни ТМ в почвах, природных водах и растениях агропочвен-ных районов РМ. Полученный показатель суммарного загрязнения ТМ пахотных почв РМ Zc<16 свидетельствует о допустимом загрязнении почв РМ и невысоком уровне антропогенной нагрузки. Выявлены тенденции и закономерности содержания и накопления ТМ в компонентах биогеоценозов - почвах, водах и растениях в связи с антропогенными и природными факторами.

Впервые для РМ, часть территории которой загрязнена вследствие аварии на ЧАЭС, получены коэффициенты перехода (КП) 908г и 137Сз из почвы в сельскохозяйственные культуры. В результате комплексного изучения транслокации ТМ в компонентах агроценоза при раздельном и совместном действии удобрений и средств защиты растений на черноземе выщелоченном тяжелосуглинистом впервые получены параметры миграции ТМ в сопредельных средах.

Установлены влияние интродуцированных и аборигенных видов денд-рофлоры Ботанического сада МГУ им Н. П. Огарева на содержание и подвижность ТМ в почве под растениями и особенности аккумуляции ТМ листьями растений разных жизненных форм.

Практическая значимость. Показано отсутствие негативного влияния длительного применения агрохимикатов на миграцию ТМ в профилях почвы, в фильтрационные воды и урожай. Параметры миграции ТМ и РН в почвах предоставляют возможность моделировать эти процессы и прогнозировать появление негативных агроэкологических ситуаций.

Выявлено модифицирующее действие синтетических цитокининов на накопление ТМ растениями огурца. Методика снижения накопления ТМ в урожае (патент РФ № 2218691) позволяет получать экологически более чистую продукцию. Полученные результаты вносят вклад в понимание особенностей миграции ТМ в биогеоценозах и могут быть использованы в учебном процессе при чтении курсов лекций по экологии. Информационная база, сформированная на основе исследований, может быть использована при разработке рекомендаций по экологическим экспертизам биогеоценозов для снижения содержания ТМ и РН в почвах, водах, биомассе растений.

Апробация. Основные результаты и положения работы представлены и доложены на Международных конференциях «Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля» (Пенза, 1998), «Миграция тяжелых металлов и радионуклидов в звене почва-растение-корм (рацион)-животное-продукт животноводства-человек» (Великий Новгород, 2001), «Проблемы изучения и охраны биоразнообразия и природных ландшафтов Европы» (Пенза, 2001), «Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях» (Москва, 2001), «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке» (Сыктывкар, 2001), «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2002), «Биологическое разнообразие северных экосистем в условиях изменяющегося климата» (Апатиты, 2009), «Проблемы озеленения крупных городов» (Москва, 2010; 2011), «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (Саранск, 2012);, «Роль боташчних сад1в 1 дендропарюв у збереженш та збагаченш бюлопчного р1зномашття урбашзованих територш» (КиУв, 2013); Всероссийских конференциях: «Экологические проблемы и пути их решения в зоне Среднего Поволжья» (Саранск, 1999), «Проблемы водного хозяйства и экологии водных бассейнов» (Пенза, 2000), «Освоение адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий» (Ульяновск, 2010), «Физиолого-биохимические основы продукционного процесса у культивируемых растений» (Саратов, 2010), «Научное

обеспечение АПК Евро-Северо-Востока России» (Саранск, 2010), «Роль повышения квалификации кадров в инновационном развитии агропромышленного комплекса Мордовии» (Саранск, 2011); Межрегиональных и республиканских научно-практических конференциях: «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса Республики Мордовия» (Саранск, 2001), «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (Бийск, 2003).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, из них 6 в изданиях, рекомендуемых ВАК, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, библиографического списка (313 источников, из них 43 на иностранных языках). Общий объем работы - 194 страницы, включает 39 таблиц и 26 рисунков.

Благодарность. Выражаю искреннюю благодарность и признательность научному руководителю, доктору биологических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РМ профессору Лукаткину Александру Степановичу за внимание и помощь в подготовке диссертации. Особую благодарность выражаю коллективу ФГУ ГЦАС «Мордовский» за поддержку при выполнении отдельных этапов исследования.

ГЛАВА 1. АНТРОПОГЕННЫЕ ПОЛЛЮТАНТЫ И ИХ ДЕЙСТВИЕ НА

КОМПОНЕНТЫ БИОГЕОЦЕНОЗОВ

1.1. Основные токсиканты, их действие на живые организмы

Топливно-энергетический и агропромышленный комплекы оказывают существенное влияние на накопление в природной среде химических элементов и соединений природного и техногенного происхождения (Амосова Я.М., 1989). К основным токсикантам антропогенного происхождения относят соединения серы, фосфора и азота, галогены и озон, фреоны и оксиды углерода и углеводороды, нефть, нефтепродукты и детергены, пестициды и ароматические соединения. Ведущую роль составляют тяжелые металлы (ТМ) и радионуклиды (РН), которые в природной среде не исчезают и активно мигрируют (Садовникова Л.К. и др., 2006; Hovmand M.F. et al., 1983).

Содержание ТМ в почве природных ландшафтов (фоновый уровень -кларк) составилось под влиянием естественных процессов: водного и ветрового переноса, материнской породы, эндемического растительного покрова и других факторов (Кабата-Пендиас А., Пендиас X., 1989). Для свинца это 10, марганца -800, никеля - 40, молибдена - 3, меди - 20, хрома - 20, кобальта - 8 и ванадия -150 мг/кг почвы (Тойкка М.А. и др., 1985). Антропогенные выбросы ТМ в биосферу превышают естественный приход, изменяют миграционную способность (Цибульский В.В., Яценко-Хмелевская М.А., 2004; Ruszkowska, 1979). Так, глобальное годовое поступление кадмия из природы составляет 840 т, а от промышленных предприятий - 7200 т (Черных Н.А. и др., 2001; Обухов А.И, Попова А.А., 1992). Техногенными источниками ТМ являются: тепловые и иные электростанции, предприятия черной и цветной металлургии, добычи и переработки нефти, транспорт, стройиндустрия. В атмосферу от них поступает до 90 % свинца, 70-80 % кадмия, более 10 % ртути (Алексеев А.В., 1987; Остромогильский А.Х., Петрухин В.А., 1984). Поступление ТМ от сельского хозяйства составляет 0,3-7,2 % от общего (Черных Н.А. и др., 2001).

Элементы, выбрасываемые в атмосферу, разносятся на десятки километров в составе аэрозолей (Татаринов В.В. и др., 1987). С атмосферными осадками и пылью в почвы Европы ежегодно попадает 1,9-5,4 г/га кадмия, с удобрениями -1,6-9,4 г/га (Карпова Е.А., Потатуева Ю.А., 1990); поступление мышьяка в фоновых районах Европейской части России - 6,4-11 г/га, а вблизи промышленных центров и магистралей - на порядок больше (Лях Т.Г., 1990; Ильин В.Б., 1990; Карпова Е.А., Потатуева Ю.А., 1991; Курганова Е.В., Волошина О.Н., 1999; Рыбин Ю.И. и др., 1999; Апарин C.B. и др., 2009; Schtadts ..., 1988).

TM оказывают негативное действие на основные физиологические и биохимические процессы растений: рост и развитие; фотосинтез и дыхание; водный обмен и минеральное питание через повреждение функций ферментов, витаминов, пигментов, изменение их соотношения; возникает дефицит АТФ и питания (Милащенко Н.З., и др., 2000); увеличивается содержание фенольных соединений (Барсукова B.C., 1997). Следствием является потеря продуктивности (Титов А.Ф. и др., 2007; Кизеев А.Н., Жиров В.К., 2009).

ТМ являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения относительной атомной массы. Очень фитоток-сичными считаются серебро, бериллий, ртуть, олово, кобальт, никель, свинец и окись хрома (Алексеев A.B., 1987). Другие считают, что это ионы кадмия, меди и ртути (Ильин В.Б., Гармаш Н.Ю., 1985; Холодова В.П. и др., 2005).

При исчерпывании растениями защитной функции ТМ накапливаются в них адекватно содержанию в почве (Алексеев A.B., 1987). Развиваются хлорозы и некрозы (Ковальский В.В., 1974). У водных растений тормозится рост, что приводит к быстрому старению (Гебхард А. и др., 1990). По ингибирую-щему действию металлов на прирост корней кукурузы В.Б. Иванов с соавт. (Иванов В.Б. и др., 2003) разделил их на три группы: сильнотоксичные (Си и Ag), среднетоксичные (Cd и Hg) и слаботоксичные (РЬ, Со и Zn). ТМ подавляют рост главного корня сильнее, чем боковых корешков (Демченко Н.П. и др., 2005). Степень ингибирования зависит �