Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие промышленности и сельского хозяйства приводит к увеличению антропогенной нагрузки на почвенно-растительные комплексы.
В частности, рост производства в тяжелом машиностроении и сельском хозяйстве способствует увеличению содержания тяжелых металлов и гербицидов в объектах природной среды. В связи с этим является актуальным развитие методов мониторинга состояния почвенно-растительных систем. Значительное место среди современных физических методов мониторинга занимают оптические методы, в том числе, методы регистрации замедленной флуоресценции (ЗФ) почв и растительности.
В настоящее время, благодаря работам российских и зарубежных исследователей процесс фотосинтеза изучен достаточно полно. Вместе с тем, представляет значительный интерес исследование влияния различных факторов окружающей среды на процессы фотосинтеза. Одним из методов позволяющих оценивать состояния фотосинтетического аппарата растений, является метод регистрации замедленной флуоресценции. Другим направлением является исследование кинетики флуоресценции почв при различных воздействиях (в том числе температурных). Рассматривая параметры кинетики замедленной флуоресценции как пространство состояний почвенно-растительных систем, можно оценивать и прогнозировать ранние изменения в почвенно-растительных системах при внешних воздействиях факторов окружающей среды.
Цель и задачи исследований. Целью настоящего исследования является разработка концептуальных основ применения параметров кинетики замедленной флуоресценции для мониторинга антропогенного изменения систем почва-растение степной зоны под действием факторов окружающей среды и моделирование экологического риска загрязнения биогеоценозов.
Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:
- анализ методов и средств мониторинга почвенно-растительных систем и контроля воздействия факторов окружающей среды (на примере действия гербицидов и тяжелых металлов);
- разработка методики и исследование кинетики замедленной флуоресценции растений степной зоны при действии фосфорорганических гербицидов и тяжелых металлов;
- разработка методики и исследование кинетики замедленной флуоресценции почв при различных температурах;
- исследование кинетики замедленной флуоресценции растений степной зоны в зависимости от физико-химических свойств почв;
- моделирование влияния физико-химических свойств почв на состояние фотосинтетического аппарата растений степной зоны с применением алгоритма самоорганизации;
- моделирование процессов миграции тяжелых металлов и оценка риска загрязнения систем почва-растение степной зоны;
- теоретическое обоснование интегрального показателя миграционной способности систем почва-растение степной зоны.
Объектом исследований являются системы почва-растение степной зоны Оренбургской области.
Предметом исследований являются физико-химические процессы в системе почва-растение при воздействии факторов окружающей среды.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработано устройство регистрации замедленной флуоресценции хлорофилла;
- предложены и экспериментально проверены методики экологической оценки влияния фосфорорганических гербицидов и тяжелых металлов на растения степной зоны, получены математические зависимости параметров кинетики замедленной флуоресценции от концентрации и продолжительности действия фосфорорганического гербицида и солей тяжелых металлов;
- разработана математическая модель влияния физико-химических свойств почв на параметры кинетики замедленной флуоресценции растений степной зоны и модель оценки риска загрязнения почвенно-растительных систем тяжелыми металлами, теоретически обоснован интегральный показатель, характеризующий загрязнение биогеоценозов.
- обнаружена замедленная флуоресценция почв, предложена и экспериментально проверена методика регистрации замедленной флуоресценции почв при различных температурах воздействия, получены математические зависимости параметров кинетики замедленной флуоресценции почв от температуры обработки, определена динамика физико-химических свойств почв при различных температурах.
Практическая значимость результатов. Применение устройства, разработанного для регистрации замедленной флуоресценции (патент RU № 2220413), позволяет развивать методологию ранней диагностики состояния фотосинтетического аппарата растений степной зоны в зависимости от факторов окружающей среды. Регистрация ЗФ почв позволяет оценить изменение физико-химических свойств почв при различных температурах.
Предложенная математическая модель позволяет оценивать изменение фотосинтетической активности растений в зависимости от физико-химических свойств почв. Моделирование процессов в системах почва-растение на основе детерминистско-вероятностного подхода позволяет оценить риск загрязнения почвенно-растительных систем тяжелыми металлами. Предложенный интегральный показатель позволяет оценивать миграционные свойства тяжелых металлов в системах почва-растение.
Разработаны принципы классификации (на основе кластерного анализа) видов и сортов растений по ответной реакции фотосинтетического аппарата на действие факторов окружающей среды (тяжелых металлов и гербицидов).
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Исследования по данной тематике проводились в рамках госбюджетных работ по зарегистрированным направлениям ГР 019990003773 «Исследование влияния выбросов газоперерабатывающего завода на процессы клеточного метаболизма растений», ГР 019990003741 «Прогнозирование воздействия ЧС предприятий нефтегазового комплекса на почвенно-растительные системы».
Достоверность результатов основывается на выборе адекватных физических моделей кинетики замедленной флуоресценции, использовании известных и опробованных математических методах обработки данных. Достоверность экспериментальных данных подтверждается результатами, полученными другими авторами, для аналогичных объектов традиционными химическими и биологическими методами.
Реализация результатов исследований осуществляется путем использования разработанного устройства регистрации замедленной флуоресценции, методики экологической оценки влияния фосфорорганических гербицидов и тяжелых металлов на растительные организмы для получения информации о механизмах действия новых препаратов, внедряемых в практику сельского хозяйства, а также, для тестирования на сохранение действующего вещества при длительном хранении гербицидов Государственным центром агрохимической службы «Оренбургский».
Разработанные автором методики используются при оценке антропогенного воздействия окружающей среды на фотосинтетический аппарат растений, расчете риска загрязнения систем почва-растение тяжелыми металлами. Материалы работы доложены и обсуждены на расширенном заседании кафедр «Безопасности жизнедеятельности», «Экологии и природопользования», «Информационной биофизики» Оренбургского государственного университета.
Результаты используются также для оценочных расчетов возможной динамики фотосинтетического аппарата при изменении химических показателей почв. Также, результаты реализованы в методике оценки риска загрязнения почвенно-растительных систем тяжелыми металлами.
Результаты исследований используются в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» при чтении лекций и проведении практических занятий для студентов специальности 280101.65 – «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», а также дисциплины «Системы защиты среды обитания», «Физиология растений», «Мониторинг среды обитания» для студентов специальности «Экология».
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на III съезде биофизиков, г. Воронеж (2004г); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы геологии, охраны окружающей среды и управление качеством экосистем», Оренбург (2006); международной научно-практической конференции «Биоэлементы»(2004); II-ой международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей», Пенза (2002г); Российской научно-технической конференции «Обеспечение продовольственной и экологической безопасности человечества – важнейшая задача XXI века», Оренбург 2000 г. Результаты и методики представлялись на выставках и конкурсах: Экотехнология - 99, Экотехнология - 2007, выставках НТТМ-2003, 2004 гг. Материалы работ получили совместный грант РГНФ и администрации Оренбургской области в 2008 г.
Декларация личного участия автора. Выбор и обоснование научной тематики исследования, разработка экспериментальной установки, получение экспериментальных и теоретических результатов, их анализ и интерпретация, как и основные публикации, сделаны при решающем участии автора.
Публикации. По результатам исследований опубликовано более 80 работ: 11 статей в рецензируемых научных журналах по списку ВАК (3 статьи в печати), издана монография, получены пять патентов, в том числе 2 патента по теме диссертации, статьи в других журналах и сборниках – 10, в материалах конференций - 65.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка используемой литературы из 243 наименований. Общий объем диссертации составляет 341 страницу машинописного текста, 73 рисунка, 38 таблиц.
