Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Концептуальные подходы к эколого-биогео-химической оценке территории агроландшафта 11
1.1. Основные экологические принципы, управляющие самовоспроизводством живых систем, и биогеохимические особенности территорий 11
1.2. Причинно-следственные связи между элементным составом среды обитания и заболеваемостью животных и человека 26
1.3. Сохранение почвенного покрова- основное условие устойчивости агроэкосистем 40
1.4. Научные принципы разработки экспресс-метода оценки агроэкосистем 49
Глава 2. Объекты и методы исследований 66
2.1. Объекты исследований 66
2.2. Методы исследований 69
Глава 3. Роль кислотно - основных свойств почвы в поступлении химических элементов в агроэкосистему 74
3.1. Показатели, характеризующие кислотно - основные свойства почв 74
3.2. Исследования по влиянию реакции среды на всхожесть семян кормовых культур 87
3.3. Изменение состава жидкой и твердой фаз почвенной суспензии при разных диапазонах рН 91
Глава 4. Разработка метода определения химического элементного состава волос крупного рогатого скота 105
4.1. Характеристика волосяного покрова крупного рогатого скота 105
4.2. Определение химического элементного анализа волос 108
4.3. Зависимость химического элементного состава волос от их локализации на теле животного 118
Глава 5. Оценка системы почва растения животные на территории животноводческих хозяйств 130
5.1. Химический элементный состав почв кормовых угодий 130
5.2. Химический элементный состав растений и кормов 142
5.3. Результаты анализа волос крупного рогатого скота в разных хозяйствах 149
5.4. Определение диапазона нормального содержания макро - и микроэлементов в волосах кисти хвоста коров 181
5.5. Оценка территории животноводческих хозяйств с помощью экспресс-метода 209
Глава 6. Разработка технологических приемов коррекции химического элементного состава агроэкосистемы 220
6.1. Научно-методические принципы определения состава макро- и икроэлементсодержащих добавок для животных 221
6.2. Исследования по применению консервирующе - минеральных смесей при заготовке кормов 243
6.3. Разработка технологического приема коррекции микроэлементного состава агроэкосистемы через почву кормовых угодий 254
Выводы 271
Практические Предложения 274
Литература 275
Приложение 309
- Причинно-следственные связи между элементным составом среды обитания и заболеваемостью животных и человека
- Исследования по влиянию реакции среды на всхожесть семян кормовых культур
- Определение химического элементного анализа волос
- Химический элементный состав растений и кормов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время особую актуальность приобретает решение вопросов агроэкологии, связанных с устойчивым функционированием системы почва - растения - животные - человек в условиях техногенеза, когда взаимодействие общества с окружающей природной средой вызвало множество отрицательных последствий. Поэтому назрела необходимость комплексного подхода при изучении миграции как жизненно-важных, так и токсичных химических элементов в агроэкоси-стеме на конкретной территории хозяйствования.
В отличие от саморегулирующейся природной экосистемы, где круговорот химических элементов практически замкнут, агроэкосистема включает экологические, экономические и социальные компоненты, и управление ею ведется извне и подчинено внешним целям человека.
Живые организмы (растения, животные, люди) и абиотическую среду их обитания на конкретной территории воедино связывает биогеохимический круговорот химических элементов. Извлечение из недр Земли и рассеивание в биосфере несвойственных живым организмам химических элементов приводит к тому, что они включаются в биогеохимические циклы с участием животных и человека, отравляя организмы и вызывая мутагенные изменения с непредвиденными последствиями. К примеру, люди извлекали из земной коры в средние века - 18, в ХУ11 веке - 25, в ХУ111 веке - 29, в XIX веке - 47, в начале XX веке - 54, а во второй половине XX века - более 80 химических элементов.
Как подчеркивал академик В.И. Вернадский (1960), «настоятельно необходимо направить научную деятельность в эти области биогеохимии не только ввиду их большого теоретического значения, но и ввиду несомненной важности для задач государственной жизни». В настоящее время актуальность таких исследований еще более возрастает, так как при хозяйственной деятельности людей не должны нарушаться фундаментальные биогеохимические циклы круговорота веществ, лежащие в основе жизне-
деятельности биосферы. В условиях сложившегося в России социо-эколого-экономического кризиса формирование системного подхода в развитии современных основ сельского хозяйства становится особенно актуальным.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлась разработка концептуально-методологических основ эколого-биогеохимической оценки агроэкосистемы (почва - растения - животные), а также разработка экологически безопасных технологических приемов восполнения жизненно-важных химических элементов на конкретной территории хозяйствования.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Обосновать концептуальные подходы к эколого-биогеохимическому контролю территории агроландшафта и на этой основе разработать экспресс-метод ее оценки.
Определить влияние реакции среды (рН) жидкой фазы и С02 газовой фазы почвы на динамику изменения элементного состава ее жидкой фазы, определяющую доступность химических элементов из почвы растениям и дальше по биогеохимической пищевой цепи - животным.
Для разработки экспресс-метода оценки агроэкосистемы усовершенствовать методику определения содержания химических элементов в волосяном покрове крупного рогатого скота. Выявить участки кожного покрова животных, в наибольшей мере отражающие элементный состав волос и определить ориентировочные нормы содержания в волосах ряда химических элементов.
Изучить взаимосвязи между содержанием химических элементов в почве кормовых угодий и содержанием их в волосяном покрове крупного рогатого скота; определить наиболее существенные для этого показатели, характеризующие содержание химических элементов в почве.
5. Разработать экологически безопасные технологические приемы восполнения жизненно-важных химических элементов в системе почва -растения - животные.
Предметом защиты являются концептуально-методологические подходы к эколого-биогеохимической оценке агроэкосистемы и экологически безопасные технологические приемы восполнения эссенциальных химических элементов в системе почва - растения - животные.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Концептуально-методологические подходы к оценке-агроэкосистемы,
разработанные с учетом биогеохимических особенностей территории и ос
новных экологических принципов, управляющих самовоспроизводством
живых систем.
2. Закономерности влияния реакции среды (рН) почвы на доступность хи-
«
мических элементов из почвы растениям и дальнейшую миграцию их в организм животных.
Методика оценки содержания как жизненно-важных, так и токсичных химических элементов в волосяном покрове крупного рогатого скота и ориентировочные нормы по ряду химических элементов в волосах кисти хвоста коров черно-пестрой породы.
Экспресс-метод эколого-биогеохимической оценки территории агро-ландшафта, суть которого состоит в определении содержания химических элементов в волосах кисти хвоста крупного рогатого скота, позволяющего не только оценить обеспеченность коров эссенциальными элементами, но и проводить эколого-биогеохимическую индикацию природно-техногенных территорий с дисбалансом химических элементов в пищевых цепях.
Технологические приемы улучшения элементного статуса конкретной территории с помощью восполнения жизненно-важных элементов в разных звеньях биогеохимической пищевой цепи: через почву, через заготавливаемые корма, через жидкую добавку для скота.
Научная новизна и теоретическая значимость работы
Впервые разработаны эколого-биогеохимические принципы оценки и коррекции элементного состава агроэкосистемы на основе выявленных закономерностей миграции макро- и микроэлементов в биогеохимической цепи почва-растения-животные с использованием на последнем из этих уровней в качестве тест-объекта волосяного покрова животных. Его использование обусловлено наличием взаимосвязи между содержанием доступных форм эссенциальных химических элементов в почве кормовых угодий и содержанием их в волосах кисти хвоста крупного рогатого скота.
Усовершенствован метод определения содержания эссенциальных и токсичных элементов в волосах крупного рогатого скота, отличающийся от существующих методов способом очистки волос от внешних загрязнений.
Установлены закономерности влияния рН почвы на изменение элементного состава ее жидкой фазы, которое определяет доступность химических элементов из почвы растениям и дальнейшую миграцию их в организм животных. Показано, что в дерново-подзолистой почве подвижные формы микроэлементов, определяемые в ацетатно-аммонийной вытяжке (рН 4,8), в отличие от их валового содержания, общепринятого при эколо-го-биогеохимических исследованиях, положительно коррелируют с содержанием данных микроэлементов в выращенных на такой почве растениях и с содержанием их в организме животных. Определено содержание и эссенциальных, и токсичных химических элементов в молоке и их индикация в волосах коров черно-пестрой породы. Установлены закономерности изменения изотопного состава жидкой среды организма животного при потреблении воды, обедненной дейтерием.
Научно обоснована и апробирована в хозяйственных условиях методика коррекции дефицита эссенциальных элементов на территории агроланд-шафта с помощью применения жидких биологически активных микроэле-ментсодержащих добавок для животных, смесей при заготовке кормов и удобрений для кормовых угодий на основе гуматов нового поколения.
Практическая значимость работы
1. Предложен экспресс-метод эколого-биогеохимической оценки
территории агроландшафта.
Разработана технология полосного подсева трав в дернину природных угодий с одновременным внесением жидких биологически активных микроэлементсодержащих удобрений на основе гуматов нового поколения. По результатам исследований проведена модернизация дерниннои сеялки СДК-2,8 - дооборудование ее дополнительным устройством для внесения в ложе семян высеваемых трав жидких удобрений, содержащих необходимые для каждого конкретного участка кормового угодья жизненно-важные микроэлементы в форме органических солей.
Разработаны и апробированы научно-методические рекомендации по приготовлению жидких макро- и микроэлементсодержащих добавок для животных, согласно которым для каждой конкретной территории и даже отдельного хозяйства добавка должна быть местной и отражать биогеохимические особенности территории хозяйства, биологическую усвояемость и совместимость форм нахождения жизненно-важных химических элементов, а также необходимость поддержания кислотно-щелочного равновесия в организме животных.
Предложена экологически безопасная технология заготовки кормов (силоса и сенажа) с применением консервирующе - минеральных смесей, обеспечивающая не только высокую сохранность и питательную ценность кормового сырья, но и заготовку кормов, обогащенных эссенциаль-ными химическими элементами. Для реализации данной технологии разработана и испытана в хозяйственных условиях установка для приготовления смесей и внесения их в кормовое сырье, позволяющая при трамбовке и разравнивании растительной массы в траншее строго дозировать применяемую смесь.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на VII съезде Всесоюзного общества почвоведов (Ташкент, 1985), Всесоюзной конференции «Проблемы гумуса в земледелии и использование органических удобрений» (Владимир, 1987), Российской конференции «Антропогенное изменение почв Севера в индустриально развитых странах» (Мурманск, 1995), VI Международном форуме по информатизации МФИ-97 (Москва, 1997), 5-й научно-практической конференции «Удобрения и химические мелиоранты в агроэкосистемах» (Москва, 1998), 3-й Российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы (Новосибирск, 2000), научно-практической конференции «Круговорот биогенных веществ и плодородие почв в адаптивно-ландшафтном земледелии России» (Москва, 2000), Международной конференции по микроэлементам (Германия, 2000), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы научного обеспечения увеличения производства, повышения качества кормов и эффективного их использования» (Краснодар, 2001), симпозиуме «Перспективные агрохимические технологии повышения качества кормов» (РАСХН, ВНИПТИХИМ, 2002), 3-й Международной научно-практической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2002), Международной научной конференции «Современные проблемы геохимической экологии и сохранения биоразнообразия» (Киргизия, 2003), 4-й Российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, 2003), 4-м Международном симпозиуме «Микроэлементы в человеке: новые перспективы» (Греция, 2003), 3-й Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в растениеводстве и мобильной энергетике» (РАСХН, ВИЭСХ, 2003), съезде Российского общества медицинской элементологии (2004), V Международной биогеохимической школе «Актуальные проблемы геохимической экологии» (Казахстан, 2005), Международной научно-
практической конференции «Научное и кадровое обеспечение формирования земельно-имущественного комплекса России» (Москва, 2005), Международной научной конференции «Агроэкологическая эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (Москва, 2005), Российско-Японском рабочем совещании «Проблемы геохимической экологии, диагностики мик-роэлементозов и их коррекции» (Москва, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 50 научных работ, в том числе 9 на английском языке.
Автор считает приятным долгом выразить благодарность заведующему лабораторией кормопроизводства НИИСХ ЦРНЗ, доктору с- х. наук Соколову А.В. за совместную работу при разработке технологических приемов восполнения эссенциальных элементов в агроэкосистеме; профессорам Хироши Мегуро (Hiroshi Meguro) и Тсунео Камата (Tsuneo Kamata) из Японии за оказание помощи при выполнении проекта МНТЦ № 2046, а также доктору биологических наук, профессору ГЕОХИ РАН Ермакову В.В. и старшему научному сотруднику ВНИИЭФ - РФЯЦ Усенко СИ. за совместную работу над проектом МНТЦ № 2046.
Причинно-следственные связи между элементным составом среды обитания и заболеваемостью животных и человека
В основе развития общества должно лежать представление о том, что человек - естественная составляющая биосферы и на него, как и на остальные живые организмы, распространяются законы развития биосферы. Академик В.И. Вернадский отмечал, что «человечество как живое вещество неразрывно связано с материально-энергетическими процессами, определяемыми геологической оболочкой Земли, с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на минуту» (Вернадский, 1960). Человечество может существовать только в узком диапазоне параметров биосферы.
По-видимому, здоровье населения можно рассматривать как комплексный показатель экологического и социально-экономического состояния территории и как основной показатель устойчивого состояния системы природа - общество, поскольку здоровье человека - это сложное биосоциальное явление, раскрывающее воздействие на организм всей совокупности факторов окружающей природной и социальной среды.В настоящее время многочисленными исследованиями показано, что существует зависимость между химическим элементным составом организма животного (человека) и его здоровьем. Недостаток или избыток, атакже нарушение соотношений химических элементов в живом организме может привести к тем или иным заболеваниям.
Бесспорный факт, что загрязнение природной среды - один из приоритетных факторов нездоровья. Наиболее часто загрязнители влияют на здоровье человека посредством хронического действия. Длительное влияние факторов малой интенсивности - типичное проявление действия загрязнителей на здоровье. Микродозы ксенобиотиков поступают в организм, накапливаются в отдельных органах, нередко превращаются в новые более токсичные вещества. В результате чего в организме человека нарушается обмен веществ, запускается цепная реакция неблагоприятных изменений в состоянии здоровья.Субклинический уровень недостатка здоровья, но ещё не болезни, выражается ощущением общего дискомфорта, беспричинного снижения настроения, трудовой или учебной активности, нарушением сна, функциональными расстройствами кровообращения, органов дыхания, нервной, эндокринной и других систем организма. Специалисты называют комплекс таких расстройств синдромом «ксеноболезни», развивающимся в результате сложных и малоизученных причинно-следственных связей между организмом и окружающей средой.Нельзя не отметить, что такие состояния могут быть обусловлены не только загрязнением окружающей среды. Этому способствуют многие факторы социально-гигиенического и экономического характера, в частности, неадекватное питание из-за недостатка в рационе полноценного белка, витаминов, жизненно-важных химических элементов.
Несбалансированное и избыточное применение минеральных удобрений, пестицидов, гербицидов и т.д. приводит к значительному накоплению нитратов и других веществ в растениях, что снижает пищевую ценность с/х продукции, усиливает накопление из почвы токсичных соединений (тяжёлых металлов, радионуклидов). С продуктами питания загрязни тели попадают в организм человека. Чаще всего загрязнители воздействуют на организм неспецифически, повреждая систему иммунитета.Неблагоприятные изменения в состоянии здоровья населения, проживающего в условиях денатурированной природной среды настолько очевидны, что в России Министерством охраны окружающей среды изданы рекомендации «Критерии оценки экологической ситуации и зон экологического бедствия» (1992), согласно которым комплекс медико-демографических показателей рассматривается как ведущий критерий оценки экологического состояния территории.
В «Критериях ...» (1992) оценка экологической обстановки дается в сравнении с «фоном», за который принято относительно удовлетворительное, соответствующее нормативному, состояние природной среды. С биогеохимических позиций экологически неблагополучные территории в вышеназванных «Критериях ... » рассматриваются как биогеохимические провинции с резким изменением химического элементного состава компонентов окружающей природной среды. Эти провинции могут быть не только природного, но и техногенного происхождения.
Биогеохимическая пищевая цепь содержит абиогенные компоненты 4 среды обитания (порода, почва, вода, воздух) и различные техногенные компоненты (Ковальский, 1991; Ермаков, 1999). В настоящее время особую актуальность имеет всестороннее изучение опасных биогеохимических эндемий (Судаков и др., 1974; Уразаев и др., 1990; Кузнецов, 1991; Дегтярев, Ермаков, 1997; Ермаков, 1995, 2000; Тютиков, 2003) животных и человека. Известно, что дисбаланс эссенциальных элементов и накопление токсичных элементов в организме животных и человека во многом зависит от особенностей их биогеохимических круговоротов на конкретной территории, что, в свою очередь, определяется процессами выветривания и трансформации вещества. Недостаток или избыток отдельных химических элементов в растениях и кормах вызывает снижение продуктивности и заболевания животных. Например, наиболее массовое распространение по лучили сердечно-сосудистые и опухолевые патологии, во многом обусловленные дефицитом селена. Недостаток йода в организме может вызывать различные формы эндемического зоба. Избыток стронция, молибдена и фтора ответственен за развитие костно-суставных патологий.
В настоящее время патологии животных и человека, обусловленные дефицитом или избытком в организме жизненно-необходимых микроэлементов, а также дисбалансом макро- и микроэлементов называют микро-элементозами (Судаков и др., 1974; Уразаев и др., 1990; Авцын и др., 1991; Скальный, 1997, 1999; Жаворонков, Михалева, 1999; Жаворонков и др., 1999; Anke, Rish, 1979; Anke et all, 1988; Szentmihalyi, 1981; Beattie, Richards, 1993), причем особую опасность представляют микроэлементозы техногенной природы, вызываемые тяжелыми металлами и радионуклидами.
При диагностике микроэлементозов животных и человека и выявлении экологически неблагополучных территорий все чаще стали применять системные способы их оценки. Например, при разработке биогеохимических критериев оценки экологического состояния территорий были использованы толерантные уровни концентрации микроэлементов в растениях и кормах (Ермаков и др., 1988; Ермаков, 1999). При оценке экологического статуса отдельных микроэлементов используют уровни и соотношения нормируемых химических элементов в органах и тканях диких животных (Тютиков, 2003).
Наиболее удобным, на наш взгляд, экспресс-методом такой оценки может явиться использование данных по химическому элементному составу волос животных (и человека), который формируется в зависимости от химического элементного состава среды обитания, кормов и состояния организма (Brown et al, 1980; Batzevich, 1995; Anke et al, 1996; Dickman et al, 1998, 1999; Bader et al, 1999; Danek et al, 1999; Дженбаев и др., 2000; Агад-жанян, Скальный, 2001; Baranovskaja, Rikhvanov, 2002).
В настоящее время диагностику микроэлементозов в основном осуществляют по содержанию элементов в крови и моче животного (Самохин,2003, 2005), а потребность животных в макро- и микроэлементах - по содержанию их в кормах. Однако анализ всех используемых кормов трудоемок и часто не отражает интегрированный статус элемента, т.к. набор кормовых компонентов часто меняется. Уровень содержания макро- и микроэлементов в кормах и кормовых добавках еще не дает представления об их статусе, поскольку только часть их может всасываться и превращаться в организме в метаболически активную форму. Кроме того, уровень концентрации ряда химических элементов регулируется в крови го
Исследования по влиянию реакции среды на всхожесть семян кормовых культур
Исследования по влиянию реакции среды на всхожесть семян кормовых культур нами проводились в вегетационном опыте с люцерной и новым мелиорантом нитратом цинка. Нитрат цинка, как в случае карбонатной, сульфидной, так и боратной щелочности, может являться высокоэффективным мелиорантом, вследствие того, что и с С032" , и с S2", и с Н2ВО3 ионами цинк образует очень труднорастворимые соединения (nPznco3=M5xlO"u; nPZnS=l,59x 1(Г24; ПР2„(во2)2=10 10 18). Вегетационный опыт проводился на искусственно засоленном типичном черноземе с нейтральной реакцией среды. В сосуды вносились разные количества соды и буры, чтобы создать заданные уровни щелочности. Спустя определенное время в некоторые сосуды вносили мелиорант Zn(N03)26H20. После компостирования высевали пророщенные семена люцерны. Схема опыта представлена в таблице 3.
В опыте подбирали три разные концентрации соды, исходя из того, чтобы создать уровень общей щелочности, значительно ниже принятого токсичного уровня (0,5 мг-экв/100 г), токсичный (1,4 мг-экв/100 г) и значительно превышающий токсичный уровень, но довольно часто встречающийся в засоленных почвах (10 мг-экв/100 г). Три разные концентрации буры подбирали из расчета, что 6 мг/кг водорастворимого бора токсично для растений. В один из вариантов добавляли водорастворимый бор ниже токсичного уровня - 3 мг/кг, а в другой - значительно выше токсичного уровня - 50 мг/кг.
В каждый сосуд высевали по 50 пророщенных семян люцерны. Количество взошедших растений сильно различалось по вариантам (табл. 3), что можно объяснить влиянием щелочной реакции среды на проростки. Так, в варианте № 2 с более низким уровнем карбонатной щелочности взошло 31 растение, в варианте № 3 со средним уровнем - всего 13 растений, а в варианте № 4 с высоким уровнем - ни одного взошедшего расте ния; в вариантах № 5 и № 6 с бурой - по 38 растений, а в варианте № 7 с самой высокой боратной щелочностью - только 20 растений. В то же время почти во всех вариантах с мелиорантом (№ 8, №9, №11, №12, №13) наблюдалась хорошая всхожесть (по 42-50 шт.), за исключением варианта № 10, где, по-видимому, до момента всходов не успела произойти полная нейтрализация соды нитратом цинка, поэтому растения взошли хуже.Чтобы оценить химизм воздействия различных щелочных солей и мелиоранта на почву, несколько раз в течение вегетационного периода непосредственно в сосудах с растениями проводилось измерение рН почвы при естественной влажности с помощью полевого рН-метра (табл. 4). Результаты этих исследований показали, что в разных вариантах уровни рНазличались иногда довольно существенно. Так, при первом измерении в контрольном варианте значение рН составило 7,6; в вариантах с добавлением соды значения рН возрастали с увеличением концентрации соды - в варианте № 2 рН=9,6, в варианте № 3 рН=10,1, в варианте № 4 рН=11,0. Во всех вариантах с бурой (№ 5, №6 и №7) значения рН были очень близкими и колебались в диапазоне рН 9,1 - 9,5. Такие значения рН можно объяснить тем, что бура является буфером, и независимо от ее концентрации рН поддерживается на уровне 9,2. При добавлении мелиоранта в вариантах №8-№10 уровни рН были значительно ниже, чем в вариантах №2-№4 без мелиоранта. Особенно сильно изменялась реакция среды в сторону под-кисления при добавлении нитрата цинка к почве с наиболее высоким уровнем заданной карбонатной щелочности. Значения рН в данном случае понизились от 11,0 до 7,6.
В вариантах с бурой и мелиорантом (№11-№13) понижение рН явилось незначительным, что можно объяснить буферным свойством буры и тем фактом, что мы внесли недостаточное количество мелиоранта, рассчитывая его дозу не на весь бор, а только на форму его нахождения в виде борат- ионов (Н2ВОз"), обусловливающих боратную щелочность. Следует отметить, что соотношение между йуЮз" и Н3ВО3 в растворе определяется величиной рН и все время может меняться.Исследование динамики изменения рН во времени при выращивании люцерны показало, что в сосудах всех вариантов наблюдается понижение рН (в большинстве случаев до рН около 7,8) (табл. 4). Исключение составили вариант № 4, где рН понизился от 11,0 до 10,1, и вариант № 10, где произошло понижение рН от 7,6 до 6,5. В этих вариантах отмечалась наибольшая заданная карбонатная щелочность и мелиорант нитрат цинка приводил к понижению рН. Следует подчеркнуть, что растения по мере роста способны своими выделениями нейтрализовать щелочную реакцию среды. Поэтому высокие значения рН и титруемой щелочности особенно опасныво время всходов, когда из-за «вспышки» щелочности может происходить гибель проростков.
Кроме определений рН непосредственно в вегетационных сосудах при естественной влажности, отбирались образцы почвы, высушивались и в их водных вытяжках определялась структура титруемой щелочности (табл. 4) по предложенному нами методу. Значения рН высушенных образцов отличались от рН измеренных непосредственно в сосудах, что можно объяснить влиянием самого процесса высушивания. Обнаруженная титруемая щелочность также отличалась от заданной расчетной, иногда довольно значительно, причем во всех вариантах, кроме контрольного, где не была обнаружена органическая щелочность. Величина органической щелочности колебалась от 0,26 до 2,72 мг-экв/100 г. По-видимому, добавление в почву щелочных солей способствовало растворению органического вещества и появлению органической щелочности.
Определение химического элементного анализа волос
Наиболее ответственным моментом при определении содержания химических элементов в волосах является очистка их от внешних загрязнений. В настоящее время широко применяют (МАГАТЭ) способ последовательной отмывки волос (человека) следующими моющими средствами: ацетон - вода - ацетон (Report on Second Research Coordination Meeting of IAEA. Neuherberg, 1985). Контроль степени очистки в данном случае представляет собой длительную и сложную процедуру определения состава отмытых волос и промывных растворов. О степени готовности пробы волос к анализу судят по результатам такого контроля (Jakie Morton, Vikki А. Carolan, Philip Н.Т. Gardiner, 2002). Принципиальным недостатком такого способа очистки является то, что при удалении экзогенных (внешних) загрязнений с поверхности волос с помощью ацетона может происходить разрушение кератиновои и жировой структуры волоса, которое приведет к потере эндогенных (внутри волоса) макро- и микроэлементов, что существенно снизит достоверность анализа. Нами для очистки волос от внешних загрязнений был выбран наиболее приемлемый и простой способ отмывания волос дистиллированной водой (Alder, Samuel, West, 1976; Carlos et al, 1998; Yi sun, Hao-zhi Li, 2000; Man yo Choi et al, 2000; Jackie Morton et al, 2000; Jan Frode Maurice et al, 2002; Hilar Bermejo-Barrera et al, 1999; Wei Qin, 1997; Jane Valentine et al, 1979; Cecile Jouvel, 2000; Frontasyeva, 1998; Bencko, 1995; Heller-Zeisler et al, 1998; Hilfr Bermego-Barrera, 1997; Jackie Morton et al, 2003; Rahman et al, 2000; Agostino A. Almeida et al, 1999; Demetrius, G. Themelis et al, 2000; Dimiter L. Tsalev et al, 2002). Разработка способа пробоподготовки для анализа на элементный состав проводилась в химической лаборатории ВНИИЭФ-РФЯЦ на отобранных нами пробах волос коров Московской области. Чтобы оценить продолжительность процедуры отмывания, был проведен эксперимент с волосами, имеющими разную степень загрязнения экскрементами (оцененную визуально как слабую, среднюю и умеренно сильную). Отмывание проводилось на шейкере с круговым вращением при 50 об./мин. Пробы волос массой по 1,0 г погружали в 100 см3 дистиллированной воды.
Через каждые 15 минут воду меняли. Смена воды производилась шесть раз (до получения визуально прозрачной промывной воды). Промывные воды оценивались на мутность с помощью спектрофотометра по рассеянию света при длине волны 589,0 нм. Раствором сравнения служила дистиллированная вода. Сумма полученных отсчётов принималась за 100 % и для каждой порции промывной воды рассчитывалась доля поглощенного света. Полученные результаты использовались для оценки продолжительности отмывания (рис. 8). Полученные данные показывают, что 95-98 % загрязнений отмываются при этих условиях в течение полутора часов. Для сильно загрязненных экскрементами волос время отмывания увеличивается в 5 и более раз. Для ускорения процедуры отмывания вместо шейкера был применен бытовой миксер с частотой кругового вращения двух насадок-мешалок в пределах 1000 об./мин., а также предварительное замачивание образцов волос на ночь. В отличие от известного способа отмывки с помощью моющей среды ацетон-вода-ацетон (Report on Second..., 1985), в данном случае воздействие осуществляли механически путем обеспечения высокоскоростного вихревого движения пробы в воде, химически инертной по отношению к биоматериалу пробы.
Степень очистки пробы волос контролировали по мутности промывного раствора. В случае сильного загрязнения пробу (до механического воздействия на него) предварительно замачивали в дистиллированной воде. Механическое воздействие на пробу волос при отмывке ее в химически инертной моющей среде (воде) позволяет избежать потерь эндогенных макро- и микроэлементов собственно биоматериала (волос). Качество очистки достигается с помощью установления определенного режима относи тельно движения моющего раствора и пробы, а также с помощью контроля мутности промывного раствора в процессе очистки пробы. Особенность высокоскоростного вихревого движения состоит в том, что оно сопровождается вращением частиц среды (элементарных ее объемов) вокруг мгновенных осей, проходящих через эти частицы, что приводит к определенному поведению загрязняющих частиц, на волосе. Возникающие при таком движении силы (центробежные, соударения, трения и др.) способствуют отрыву частиц внешних загрязнений от волос. Отмытые таким образом пробы волос высушивали до воздушно-сухого состояния в течение нескольких часов при температуре + 40 С. В другом эксперименте использовали волосы, имеющие среднюю степень загрязнения экскрементами.
Соотношение твердой и жидкой фаз при этом равнялось 1:30. Отмывание проводилось в течение одного часа. Смена воды осуществлялась в следующей последовательности: три раза через одну минуту, два раза через две минуты, а затем по одному разу через три, пять, десять, пятьнадцать и двадцать минут. Промывные воды оценивались на мутность с помощью спектрофотометра по рассеянию света при длине волны 589,0 нм (рис. 9). Полученные данные свидетельствуют, что мутность промывных вод вначале резко снижается, а после обработки в течение 10 минут и более -несколько возрастает. Причем было замечено, что примеси, удаляемые при промывании в течение 5-7 минут, быстро оседают, а после промывания в течение более 10 минут находятся во взвешенном состоянии несколько часов и даже суток. хорошо разделенных полос, типичных для амидной связи при 1690-1630 см (амид I) и при 1550-1510 см " (амид II), которые свидетельствуют о наличии полипептидной структуры фибриллярного белка или кератина. Никакого поглощения не наблюдалось для области, где имеются полосы, обусловленные колебаниями карбонильной группы эфиров (жиров) при 1750-1735 см " и 1300-1050 см"1. По-видимому, в результате длительного отмывания при высоких скоростях вылущенные ячейки кератинового кортекса также поступают в промывные воды. Это предположение подтвердилось при рассмотрении волоса и промывных вод под микроскопом Промывные растворы и очищенные воздушно-сухие волосы анализировали на содержание ряда макро- и микроэлементов. Было обнаружено, что вымывание магния, кальция, натрия, калия, цинка, железа, марганца и стронция из волос уменьшается в течение 7-10 минут, а затем остается постоянным или до некоторой степени возрастает (рис. 11), что согласуется с данными турбидиметрических измерений.
Химический элементный состав растений и кормов
По многочисленным данным ЦИНАО, проектно-изыскательских центров и станций химизации агрохимической службы содержание макро-и микроэлементов в кормовых растениях и кормах отличается большим разнообразием и зависит от почвенно-климатических условий, видов растений, фаз вегетации, способов заготовки, условий хранения и других факторов. Исследования минерального состава кормов, выполненные службой химизации в 1979-1989 годах в Центральном районе России (табл. 27), указывают на явный дефицит в основных кормах, заготавливаемых для нужд животноводства, многих жизненно-важных химических элементов. Установлено, что даже во многих хозяйствах Центрально-Черноземной зоны в кормах имеется дефицит эссенциальных микроэлементов - йода, кобальта, марганца, цинка, меди.
Наибольшее количество макро- и микроэлементов содержит зеленая масса сеяных злаковых и злаково-бобовых трав, а также трава естественных угодий. Установлено, что трава бобовых содержит на 15-40 % больше кальция, фосфора и некоторых других химических элементов по сравнению со злаковыми травами. При заготовке кормов (сена, сенажа, силоса) из трав происходят значительные потери, причем наибольшие - при заготовке сена, а наименьшие - при производстве травяной муки.Сравнение фактических данных по микроэлементному составу трав с научно-обоснованными нормами кормления дойных коров показывает, что во всех объемистых кормах Нечерноземной зоны не хватает йода, кобальта, меди, цинка, молибдена, селена (табл. 28). В то же время эти корма относительно богаты марганцем и железом.
Нарушение биогеохимических циклов химических элементов на конкретной территории агроландшафта связано с изменением потоков сре-дообразующих макроэлементов и их соотношений, а также микроэлементов в различных звеньях биогеохимической пищевой цепи. Одним из важнейших параметров, характеризующих нарушение биогеохимических циклов, является изменение соотношения углерода и азота в почвах, растениях, рационах животных и человека. Уменьшение этого показателя ниже оптимальной величины ведет к разрушению почвенного органического вещества, усиленному накоплению органического азота в почвах, водах и сельскохозяйственной продукции. Увеличение соотношения углерода к азоту в пищевых продуктах сопровождается нарушением сбалансированности углеводного и белкового питания. На изменение этого показателя реагирует почвенная микрофлора. Поэтому выделение зон экологического напряжения можно осуществлять по изменению соотношения углерода к азоту в звеньях биогеохимической цепи на конкретной территории.
Нашими многолетними исследованиями установлено, что на обследованных участках кормовых угодий в ЗАО «Совхоз Москворецкий» соотношение углерода к азоту в почвах находилось в пределах от 14 до 20, в почве пастбища ЭХ «Немчиновка» оно было равно 16. Согласно принятым критериям (Критерии оценки ..., 1992) при С : N = 8 - 20 наблюдается относительно удовлетворительная ситуация.Нарушение циклов кальция и фосфора также отражается на соотношении их концентраций в звеньях биогеохимической пищевой цепи. Наиболее показательно соотношение Са : Р в растениях и растительных кормах. Как при недостатке, так и при избытке фосфора и кальция в рационах позвоночных возникают признаки остеопороза и остеомаляции. В основу градации соотношения Са : Р положены фактические данные по проявлению патологий при определенном значении Са : Р, а также экспериментальные данные об изменении рентгенофотоостеометрической плотности 5-го хвостового позвонка крупного рогатого скота при различном содержании фосфора в кормах.
Степень экологической напряженности территории оценивают с учетом нарушенности соотношений Са : Р в укосах растений. Нашими многолетними исследованиями установлено, что соотношение Са : Р в пастбищной траве в ЗАО «Совхоз Москворецкий» в среднем равнялось 2,6, что соответствует относительно удовлетворительной ситуации (Са: Р = 0,8 - 3).Согласно принятым критериям оценки территорий (Критерии оценки..., 1992) относительно удовлетворительная ситуация по железу наблюдается при его содержании в растениях и кормах более 50 -100 мг/кг сухого вещества, по цинку - при содержании его более 30 - 60 мг/кг, по меди -при содержании 10-20 мг/кг, по кобальту - при содержании более 0,3 -1,0 мг/кг. По В.В. Ковальскому (1974) нормальная регуляция в животном организме происходит при норме марганца в кормах 20 - 60 мг/кг.В качестве концентрационных параметров нарушенности циклов микроэлементов на территории агроландшафта могут служить превышения максимально допустимых уровней (МДУ) химических элементов в растениях и кормах или превышения относительно фона при аномальности ландшафта более 50 %. При превышении в растениях и кормах содержания высокотоксичных элементов (кадмия, свинца, хрома, никеля и др.) максимально допустимых для них уровней в 1,1 - 1,5 раза (Критерии оценки ..., 1992) участки относятся к территориям относительно удовлетворительного состояния.
В отобранных нами на территории обследуемых хозяйств образцах кормовых растений и кормов с помощью атомно-абсорбционной спектро метрии определяли кальций, магний, натрий, калий, медь, цинк, марганец,В экспериментальном хозяйстве «Немчиновка» выявлено низкое содержание меди (5,9-10,1 мг/кг), цинка (21,7-37,5 мг/кг) и кобальта (0,02 -0,4 мг/кг) не только в траве пастбища, но и в сене, а также в вико - овсяныхсмесях, выращенных на других производственных участках данного хозяйства. Однако недостаток этих жизненно-важных микроэлементов может восполняться в организме коров через комбикорм, содержащий значительные количества цинка (64,0-75,6 мг/кг) и кобальта (0,41-0,85 мг/кг). В укосах растений и в кормах были установлены следующие средние уровни содержания токсичных химических элементов (мг/кг сухого вещества):комбикорм - РЬ - 0,1; Cd - 0,08; Ni - 1,0; что ниже максимально допустимых уровней по всем токсичным элементам для всех видов кормов (МДУ по свинцу равен 5 мг/кг, по кадмию - 0,3 мг/кг, по никелю - 3 мг/кг) (Химизация в отраслях АПК, 1990).
