Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Экологические аспекты трансформации соединений тяжелых металлов в системе почва-растение (обзор литературы)
1.1 Почва как депонирующая среда техногенно поступающих тяжелых металлов 7
1.2. Биохимические свойства тыжелых металлов (меди и свинца), определяющие их экологическую опасность .1.3
1.3 Различные аспекты взаимодействия тяжелых металлов и растений 17
1.4 Нормирование тяжелых металлов в почве 24
I 1.5 Механизмы детоксикации тяжелых металлов в почве и растениях 28
Глава II. Агроклиматические условия, объекты и методы исследований
2.1 Объекты исследований 35
2.2 Методы исследований 37
2.3 Агроклиматические условия проведения исследований 39
Глава III. Закономерности, определяющие накопление и транслокацию меди и свинца из почвы в растения
3.1 Различные аспекты взаимодействия тяжелых металлов и растений
3.1.1 Аккумуляция тяжелых металлов растениями и проблемы нормирования токсикантов в почве 46
3.1.2 Биоэкологические особенности исследуемых сельскохозяйственных культур, определяющие переход тяжелых металлов в растения 57
3.1.3 Распределение тяжелых металлов по органам растений 71
3.1.4 Влияние тяжелых металлов на экологические функции почвы 81
3.2 Способы детоксикации тяжелых металлов в растениях и почве
3.2.1 Обогащение почвы органическим веществом 99
3.2.2 Известкование 103
Глава IV Экономическая эффективность применения различных приемов детоксикации загрязненной тяжелыми металлами почвы 115
Выводы и предложения производству 120
Список литературы 123
Приложения 138
- Почва как депонирующая среда техногенно поступающих тяжелых металлов
- Агроклиматические условия проведения исследований
- Различные аспекты взаимодействия тяжелых металлов и растений
- Экономическая эффективность применения различных приемов детоксикации загрязненной тяжелыми металлами почвы
Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе важнейшая народнохозяйственная задача - охрана окружающей среды от загрязнения и получение качественных сельскохозяйственных продуктов, удовлетворяющих санитарно-гигиеническим показателям (Баринова, 1995; Закруткин, 1996). Накопленный опыт свидетельствует о том, что тяжелые металлы (ТМ) относятся к числу наиболее опасных для природной среды химических загрязняющих веществ. Это обусловлено как тенденциями развития современной промышленности, так и физиолого-биохимическими особенностями тяжелых металлов. Результаты действия этих токсикантов проявляются не столь очевидно, как другие виды деградации почв или биоты, но ионы тяжелых металлов передаются по трофическим цепям с выраженным кумулятивным эффектом, и проявления токсичности могут возникать неожиданно на отдельных уровнях трофических цепей. С другой стороны, потребительское отношение к природе приводит к возрастанию поступления и, как следствие, накоплению токсикантов, а в ряде сред их концентрация достигает опасных уровней (Бокова, 1995; Бабкин, 1995).
В связи с выше сказанным возникает необходимость в изучении поведения тяжелых металлов в почвешю-растителы-юм покрове для нормализации неблагоприятных токсико-экологических ситуаций, вызываемых тяжелыми металлами. Информация по этим вопросам поможет прогнозировать накопление указанных токсикантов в продуктах растительного происхождения, нормировать их поступление в трофические цепи и разработать мероприятия по ограничению этого поступления с целью производства экологически безопасного сельскохозяйственного продовольствия (Васильев и др!, 1995).
Все химические элементы, поглощаемые растениями, можно разделить на жизненно необходимые, то есть непосредственно участвующие в различных биохимических реакциях и осуществляющие все жизненно
4 важные функции организма, и на потенциально токсичные, необходимость присутствия которых в растительном организме не доказана. Свинец и медь принадлежат к числу наиболее токсичных в высоких концентрациях элементов, что связано с большим разнообразием их источников и высокой интенсивностью поступления в биосферу: медь - биофильный элемент, входящий в состав медьсодержащих пестицидов; свинец - типичный абиогенный элемент, являющийся наиболее распространенным аэрогенным загрязнителем (Черных, 1994; Smith, 1999).
Растительные организмы чувствительны к составу окружающей среды и их элементный состав активно реагирует на изменения ее состояния (Бокова, 1995; Второва, 1996).. Диапазон между минимальным количеством микроэлемента, необходимым для жизнедеятельности, и максимальным, не вызывающим негативных последствий, характеризует толерантность растительного организма к накоплению данного элемента (Лунин, 2005). Фитотоксичность тяжелых металлов и устойчивость к ним сельскохозяйственных растений зависит от многих условий, выявление которых является главной задачей данной диссертационной работы.
До настоящего времени еще недостаточно изучен химизм трансформации тяжелых металлов в системе почва - растение, однако данная проблема является актуальной для Орловской области. «Хлебная житница» России с одной стороны характеризуется высокопроизводительным сельским хозяйством, в связи с этим уже в течение 40 лет здесь активно применяются средства химизации; а с другой - интенсивным техногенным воздействием на окружающую среду (территория области является зоной развитой индустрии). Хотя область не входит в перечень регионов с неблагоприятной экологической обстановкой, однако содержание наиболее токсичных тяжелых металлов в почве превышает фоновую концентрацию в среднем в 2-4,5 раза (приложение 1), поэтому в данных условиях изучение закономерностей накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственных
5 растениях и соответственно в растениеводческой продукции является актуальной научной задачей для нашей области.
Цель и задачи исследования. Целью работы является изучение особенностей аккумуляции тяжелых металлов (меди и свинца) сельскохозяйственными растениями в зависимости от биоэкологических свойств растительных видов и биохимических свойств самих токсикантов.
В соответствии с поставленной целью программой исследований предусматривалось решение следующих задач: выявление взаимосвязи между содержанием подвижных форм тяжелых металлов (меди и свинца) в почве и растительной продукции; проведение корреляционного анализа для прогнозирования уровня загрязнения сельскохозяйственной продукции; изучение биоэкологических свойств исследуемых видов сельскохозяйственных растений (лука репчатого, свеклы столовой, капусты белокочанной), определяющих фитоаккумуляцию тяжелых металлов; выявление критических уровней содержания тяжелых металлов в почве с учетом возделывания различных видов сельскохозяйственных культур для предотвращения негативного воздействия токсикантов на человека; изучение влияния тяжелых металлов на урожай сельскохозяйственной продукции; установление возможности применения извести и органических удобрений в качестве мелиорантов загрязненных медью и свинцом почв.
Научная новизна. В работе впервые проведено комплексное исследование различных аспектов поведения меди и свинца в системе почва-растение: установлена связь между содержанием подвижных соединений тяжелых металлов в почве и накоплением их в сельскохозяйственных культурах, выраженная в виде линейной зависимости, позволяющей с высокой математической точностью предсказывать поступление загрязнителей в растения; выявлены особенности накопления меди и свинца различными видами растений; определены критические уровни содержания тяжелых металлов в почве, направленные на получение с техногенно загрязненной почвы гигиенически удовлетворительной продукции.
Практическая значимость. Выводы, сделанные по результатам исследования, и математические модели, описывающие процессы поступления тяжелых металлов из почвы в сельскохозяйственные растения позволяют определять изменения их состава с высокой точностью и могут быть использованы для прогнозирования и принятия решений по целесообразности выращивания овощных культур в агроэкосистемах, расположенных в техногенно загрязненной зоне. Оценка эффективности разных приемов снижения фитотоксичности загрязненных почв может служить основой для разработки рекомендаций по их мелиорации.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на рассмотрение и обсуждены на научно-практической конференции молодых ученых и. аспирантов факультета агробизнеса и экологии ОрелГАУ «Научные основы повышения эффективности сельскохозяйственного производства» (Орел - 2004); Международной научно-практической конференции «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья» (Курск - 2005); Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное природопользование» (получен диплом за победу в первом туре) (Ярославль - 2005); а также на заседаниях кафедры агроэкология и охрана окружающей среды факультета агробизнеса и экологии ОрелГАУ (2004; 2005; 2006).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа содержит 144 страницы машинописного текста, включает 24 таблиц, 27 рисунков. Список цитируемой литературы включает 147 источников, в том числе 14 на иностранных языках.
class1 Экологические аспекты трансформации соединений тяжелых металлов в системе почва-растение (обзор литературы)
class1
Почва как депонирующая среда техногенно поступающих тяжелых металлов
Почва является важнейшим компонентом наземных экосистем, уникальной средой обитания организмов, основой биологической продуктивности (плодородия), связующим звеном в биологическом круговороте веществ и энергии, универсальным самовосстанавливагощимся стрессовым буфером антропогенных перегрузок (Laboudique, 1999; Ладонина, 2000).
Одним из деградационных процессов, в результате которого почва теряет свое плодородие, является загрязнение тяжелыми металлами (ТМ). Накопление тяжелых металлов уменьшает биопродуктивность угодий и одновременно ингибирует ферментативную и микробиологическую активность, что ведет к уменьшению накопления гумуса, снижению комплсксообразующей и структурообразующей способности, биологической активности почвенного раствора. Это уменьшает устойчивость почв к переуплотнению, развитию оглесния и, в конечном итоге, ограничивает устойчивость почв к загрязнению (Алексеев, 1987; Амирджанян, 1994).
Необходимо дать четкое определение понятию «тяжелые металлы», так как одни и те же элементы могут выступать как микроэлементы и как тяжелые металлы. Справедливо использовать термин «тяжелые металлы», когда речь идет об опасных для живых организмов концентрациях элемента с относительной атомной массой более 40, и говорить о нем как о микроэлементе в том случае, когда он находится в почве, растениях, организмах животных и человека в нетоксичных концентрациях или используется как удобрение или минеральная добавка к корму для улучшения условий роста, развития растений и животных (Большаков, 2002). Однако есть группа металлов, за которыми закрепилось только негативное понятие «тяжелые» в смысле «токсичные».
Агроклиматические условия проведения исследований
Воздушно-сухие образцы почвы растирали и просеивали через сито диаметром 1 мм. После чего в них определяли параметры агрохимической характеристики по следующим общепринятым тестированным методам: рН водной вытяжки (ГОСТ 26483-85) - потенциометрически, гидролитическую кислотность (ГОСТ 26212-91) по методу Каппена, подвижные формы фосфора и калия (ГОСТ 26207-91) определяли в вытяжке Кирсанова, сумму поглощенных оснований (ГОСТ 26487-85) по Каппену-Гильковицу, содержание органического углерода (ГОСТ 26213-91) - колориметрически по методу Тюрина в модификации Никитина; агрегатный анализ методом Саввинова (Практикум по агрохимии, 1989; Практикум по почвоведению, 2002). Определение валового содержания тяжелых металлов проводили методом кислотной варки в концентрированной азотной кислоте с добавлением 30 % Н202, кислоторастворимых форм ТМ - в вытяжке ЇМ НС1 и обменнопоглощегшых форм тяжелых металлов - в вытяжке 1М ацетат-аммонийного буфера с рН 4,8 (РД 52.18.191-89; Методические указания, 1992, 1993).
Различные аспекты взаимодействия тяжелых металлов и растений
Оценка загрязненности исследуемых почв включает определение валовых и подвижных форм тяжелых металлов и сопоставление полученных данных с разработанными санитарно-гигиеническими нормативами (ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.7.2042-06).
Стоит отметить, что валовое содержание является фактором емкости, отражающим в первую очередь потенциальную опасность загрязнения растительной продукции, инфильтрационных и поверхностных вод. Характеризует общую загрязненность почвы, но не отражает степени доступности элементов для растений. Поэтому содержание в почве подвижных форм тяжелых металлов - важнейший показатель, характеризующий санитарно-гигиеническую обстановку и определяющий необходимость проведения мелиоративных детоксикационных мероприятий.
В.В. Попон, Г.А. Соловьев (цит. по Н.П. Кузнецову, 1995) предложили для комплексной характеристики состояния почв использовать одновременно три экстрагента, позволяющие составить шкалу нормирования подвижных форм ТМ для актуальных запасов (ацетатно-аммонийный буферный раствор NH4Ac с рН 4,8), наиболее активно усвояемых растениями, и потенциальных запасов (1 н. НС1), поглощаемых растениями по мере поступления их в почвенный раствор (табл. 5). До тех пор пока тяжелые металлы прочно связаны с составными частями почвы, они трудно доступны растениям, их отрицательное влияние на почву и растения незначительны. Однако если изменяющиеся условия позволяют перейти токсикантам в почвенный раствор, появляется прямая опасность использования их растениями. Актуальные запасы меди (извлекаемые слабыми вытяжками) в исследуемой почве составляют в среднем 5%, свинца - 19,7% валовых запасов. Количество потенциальных запасов тяжелых металлов в изучаемой почве составляет 0,3% и 28,3% валовых запасов соответственно. Данное различие в прочности фиксации почвой катионов меди и свинца можно объяснить химическими свойствами самих элементов, а именно строением атома (Ладонин, 1997,2002; Микроэлементы в ..., 2001).
Экономическая эффективность применения различных приемов детоксикации загрязненной тяжелыми металлами почвы
Агрономическая цель мелиоративных приемов детоксикации повышенного содержания тяжелых металлов в почве состоит в том, чтобы обеспечить получение экономически оправданного урожая, удовлетворяющего саиитарио-гигиеническим показателям. Определим экономическую эффективность внесения извести в количестве 3,5 т/га и торфонавозного компоста в количестве 100 т/га (табл. 22-24).
Основу методики определения экономической эффективности включает в себя вычисление уровня рентабельности, исходя из окупаемости производственных затрат и урожайности растений. При расчете данных экономических характеристик в качестве контрольных показателей использовали варианты с таким содержанием тяжелых металлов (на примере меди), при котором в растениеводческой продукции происходит сверхнормативное накопление токсиканта: для лука - это вариант с содержанием меди в почве, равном 1 ПДК, для свеклы столовой - З ПДК, для капусты - 6 ПДК.
Экономически обоснованный вариант применения того или иного мелиоративного приема характеризуется снижением себестоимости 1 ц продукции за счет получения наибольшей прибавки урожая и наименьшими дополнительными затратами и, как следствие, наибольшим чистым доходом и рентабельностью.
Себестоимость 1 ц лука, как видно из таблицы 22, в варианте с применением известкового удобрения наименьшая и составляет 353,4 руб. Это объясняется большей прибавкой урожайности (на 17 ц/га), получаемой от применения этого агротехнического приема, и наименьшими дополнительными затратами.
