Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
І.1. Сельское хозяйство, как мощный фактор воздействия на природную среду 10
1.2. Загрязнение атмосферы птицеводческими предприятиями 12
1.3. Меры по снижению негативного влияния отходов птицеводства на окружающую природную среду 13
1.4. Загрязнение окружающей природной среды стоками от птицеводческих предприятий и методы очистки сточных вод 16
1.5 Диагностика состояния почвы в зонах антропогенного влияния 18
1.6.Оцснка состояния водных экосистем .в зонах промышленного и сельскохозяйственного загрязнения 29
1.7.Биошщикация атмосферного воздуха в зоне влияния сельскохозяйственного производства 34
2. Собственные исследовании 39
2.1.Объекты исследований 39
2.2. Методы исследований- 50
3. Результаты исследований 55
3.1. Санитарно-гигиенические исследования почв в зоне деятельности ППЗ «Свердловский» 55
3.2.Активность каталазы в почве в зоне деятельности ППЗ «Свердловский» 60
3.3.Активность фермента уреазы в почве в зоне деятельности ППЗ «Свердловский» 69
3.4. Активность фермента нитратредуказы в почве в зоне деятельности ППЗ «Свердловский» 74
3.5.Характеристика экологических условий по результатам ферментативного анализа почв 78
4. Анализ химических показателей талой снеговой воды в зоне влияния ППЗ «Свердловский» 82
4.1. Анализ санитарно-гигиенических показателей питьевой воды 91
4.2. Анализ химических показателей сточной воды с очистных сооружений 91
4.3 Активность фермента уреазы и нитратредуктазы в сточной воде с очистных сооружений 99
5. Бноинднкация атмосферного воздуха с использованием в качестве модельного объекта сосны обыкновенной в зоне влияния ППЗ «Свердловский» 106
5.1. Биоиндикация состояния окружающей среды по уровню содержания хлорофилла в хвое сосны обыкновенной 106
5.2.Биоиндикация состояния окружающей природной среды по уровню ферментативной активности хвои сосны обыкновенной 110
6. Обсуждение результатов 122
Выводы 126
Практические предложения 129
Список литературы 130
Приложение 1 152
Приложение 2 153
Приложенне 3 170
Приложение 4 183
- Сельское хозяйство, как мощный фактор воздействия на природную среду
- Анализ химических показателей сточной воды с очистных сооружений
- Биоиндикация состояния окружающей среды по уровню содержания хлорофилла в хвое сосны обыкновенной
Введение к работе
Актуальность темы. Взаимодействие общества с окружающей природной
средой вызвало множество негативных последствий, которые диктуют
необходимость последовательного формирования рационального
природопользования. Только при этом условии может быть достигнут разумный баланс во взаимодействии человека и природы (М.Я. Лемешев 1989г, Л. М. Куценко, В. Н. Писаренко, 1991).
Обострение экологических проблем привлекает внимание специалистов различного профиля. Проблема загрязнения окружающей среды и связанного с этим нарушения экологического равновесия в природе является актуальной на сегодняшний день, в связи с чем она отнесена к категории глобальных. С развитием техногенной цивилизации различные антропогенные факторы (ионизирующее излучение, ксенобиотики, токсичные вещества и т.д.) оказывают влияние практически на все живые организмы, причем, чаще всего это влияние является отрицательным (И.М. Донник, П.Н. Смирнов, 2001).
По загрязнению атмосферы крупные птицеводческие предприятия отнесены к санитарно опасным предприятиям. Воздух в птичниках и вокруг них представляет собой естественный аэрозоль, содержащий капельные и пылевые частицы. Эпизоотологическос значение при этом приобретают бактерии, споры, грибы, вирусы, ооцисты, кокциди и и др. Кроме того, в воздушном бассейне птицефабрик содержатся вредно действующие газы. Загрязняются территория и атмосферный воздух далеко за пределами хозяйства. На одной птицефабрике с поголовьем 720 тыс. вытяжной системой вентиляции за 1 ч выбрасывается в воздух до 41,4 кг пыли, 174,8 млрд. микробов, до 1490мЗ углекислого газа и 13,3 кг аммиака, которые распространяются по территории на расстояние до 200 м и более. По мере их удаления концентрация быстро уменьшается. На расстоянии 500м содержание микроорганизмов и пыли находится в пределах, принятых для обычного воздуха. Специфические запахи
от птицеводческих объектов, распространяются в зависимости от сезона года на значительные расстояния: зимой до 0,5 летом до 3,5-5км. В районах крупных птицеводческих предприятий в воздушной среде обнаруживаются: аммиак, сероводород, меркаптаны, пыль, массивные бактериальные загрязнения которые пагубно влияют на состояние окружающей природной среды и здоровье людей.
Отходы птицеводства оказывают негативное влияние на состояние почв и водоисточников возникает необходимость проведения их исследования в районах действия птицеводческих объектов.
Изучению влияния отходов животноводства на состояние окружающей природной среды посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов (Т.К.Волков1975; Н.В.Черный 1990; В.Г.Судаков 1999; M.Smolenski 2001; О.П.Неверова 2003; Л.А.Коваленко, 2004).
Однако сравнительно мало работ по экологическому мониторингу состояния окружающей природной среды в зоне влияния промышленного птицеводства, единичны работы по прогнозированию состояния растительных сообществ, а также почвенных и водных экосистем подвергающихся влиянию отходов птицефабрик.
Следовательно, необходимо проводить экологический мониторинг в зонах влияния птицеводства с применением биоиндикационных методов, как более объективных, так как санитарно-гигиенические исследования почв и вод, не дают представления о физиологическом состоянии почвенных и водных экосистем; способности последних к самоочищению (Л.А.Коваленко, 2003).
Цель и задачи исследований.
Целью работы явилось выявление информативных биоиндикационных показателей для экологического мониторинга биогеоценозов в зоне деятельности предприятий промышленного птицеводства.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1.Изучить влияние контаминантов от птицеводческих хозяйств на
биологическую активность почвы древесных насаждении в районах ведения
птицеводства.
2.0предслить особенности воздействия загрязнения воздушной среды в зонах
птицеводства на растительные сообщества с использованием в качестве
модельного объекта сосны обыкновенной.
3.Выявить интенсивность процессов самоочищения поверхностных
водоисточников от контаминантов сельскохозяйственного происхождения.
4.На основании полученных результатов анализа изменений биологической
активности почв под влиянием контаминантов выделить наиболее объективные
показатели бноиндикации для состояния лесных экосистем, окружающих
птицеводческие предприятия.
5.Установить общие закономерности существования водных и почвенных
экосистем в зонах антропогенного влияния.
Научная новизна.
Впервые в условиях Среднего Урала в зоне влияния птицеводческого предприятия проведено комплексное исследование состояния окружающей природной среды путем изучения водных и почвенных экосистем, атмосферного воздуха с применением бионндикационных методов.
Доказана объективность характеристики состояния почвенных экосистем в зоне воздействия і птицеводческих хозяйств по активное; л шдролитического фермента уреазы, нитратредуктазы и каталазы.
Сформулированы положения о целесообразности проведения биоиндикации окружающей природной среды в зонах влияния птицеводческих объектов методами: биометрии ассимиляционных органов сосны обыкновенной; определения ферментативной активности почв, воды поверхностных водоисточников и сточных вод.
Предложены в качестве биоиндикаторов состояния водной экосистемы р.Сысерть в зоне загрязнения отходами птицеводства информативные показатели активности ферментов уреазы и нитрагредуктазы и коэффициенты активности этих ферментов: коэффициент потенциальной активности нитратредуктазы КПН; коэффициент потенциальной активности уреазы КПУ.
На загрязнение коптами пантам и выявлены общие закономерности ответной реакции бноты (водном и почвенной).
Установлены биоиндикаторы процессов адаптации почвенных и водных экосистем к контаминантам от птицеводческих объектов.
Показано влияние загрязненного атмосферного воздуха на состояние ассимиляционных органов сосны обыкновенной.
Впервые для оценки состояния окружающей природной среды в зоне влияния птицеводства нами предложен новый бионндикациоиный метод определения коэффициента интенсивности метаболизма в тканях сосны обыкновенной (КИМ). Заявка на изобретение «Способ оценки экологического состояния агробиогеоценозов в зонах антропогенного влияния » №2006102842/15 (003100)от 31.01.2006
Практическая значимость работы.
В практике экологического мониторинга окружающей природной среды в зонах влияния птицеводства использован комплекс биоиндикационных методов, позволяющих объективно характеризовать состояние основных сред элементов биосферы.
Внедрены в практику экологического мониторинга информативные показатели КПН (коэффициент потенциальной активности нитратредуктазы) и КПУ (коэффициент потенциальной активности уреазы) для наиболее объективной оценки процессов адаптации водных и почвенных экосистем к антропогенному влиянию.
Предложенный комплекс методов экологического мониторинга состояния окружающей среды в зоне влияния птицеводческих объектов может быть
-8-использован для оценки экологической ситуации на территориях сельскохозяйственных районов в целом (Акт о внедрении в производство от 12 января 2006г Приложение 1).
Результаты работы представленные в форме практических рекомендаций используются в учебном процессе по региональной экологии и экологии для студентов сельскохозяйственных вузов (Рекомендации по мониторингу в зоне деятельности птицеводческих предприятий. Приложение 4).
Показана возможность использования предложенных биоиндикационных методов для разработки ПДН веществ на объекты биосферы.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных научно-практических конференциях: «Экология и жизнь» Пенза 2004г.«Экология и безопасность жизнедеятельности» Пенза 2004г.«Перспективные направления научных исследований молодых ученых Урала и Сибири» Троицк 2004г. «Наука и образование-аграрному производству». УрГСХА г.Екатеринбург 2005г.«Молодежь и наука» УрГСХА г.Екатсринбург 2004г. «Сибирская деревня: история, современное состояние и перспективы развития»2006 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ и 3 работы находятся в печати. Подана заявка на изобретение («Способ оценки экологического состояния агробиогеоценозов в зонах антропогенного влияния» №№2006102842/15 (003100)от 31.01.2006
Структупа и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, 4 приложений, списка использованной литературы. Текст диссертации изложен на 196 страницах, иллюстрации включают 26 таблиц, 17 рисунков. К и Типография представлена 216 работами, из них 36 зарубежных авторов.
Сельское хозяйство, как мощный фактор воздействия на природную среду
Природа - сложная система, единое целое, часть которой составляет человеческое общество, способное существовать только в постоянном взаимодействии с ней (В.А.Красилов,1992г; А. Г.Банников, А.А. Вакулин А.К. Рустамов, 1996). Однако аналитические прогнозы ученых экологов предсказывают уже в ближайшие годы обострение проблем с чистой водой, чистым воздухом и экологически безопасными продуктами питания.
Сельское хозяйство является мощным фактором воздействия на все среды жизни; водную, почвенную, наземно-воздушную и на органический мир. Так же как и промышленное производство оно создает антропогенные ландшафты, существенно отличающиеся от естественных. В процессе сельскохозяйственного производства значительно трансформируется естественный круговорот веществ, коренным образом изменяются потоки веществ и энергии в экосистемах, в биогенный круговорот вовлекаются вещества, не свойственные природным биогеоценозам. Результатом процесса интенсификации сельского хозяйства стали ощутимые негативные последствия на природные комплексы и их компоненты, отрицательные изменения в состоянии окружающей природной среды (З.Н. Новрузов 1988; Ю.В. Богородский, 1995).
Средний Урал характеризуется критическим уровнем экологической опасности. В разряд территорий отнесены более 20 городов Уральского региона, невозможных для проживания человека. Продукция местных сельских товаропроизводителей оказывается неконкурентоспособной по причине ее несоответствия экологическим нормативам. Решение этой проблемы осуществляется в основном за счет ужесточения мер контроля за качественной стороной продуктов питания (И.М. Донник, 2003).
В экологически неблагополучных районах Свердловской области остро стоит проблема наличия предельно допустимых концентраций вредных веществ в сельскохозяйственной продукции. По данным Управления государственной инспекции по торговле, качеству товаров и защите прав потребителей по Свердловской области. В последние годы отмечается значительный рост объемов забракованных и запрещенных к продаже продовольственных товаров.
В РФ действует более 2300 крупных животноводческих, птицеводческих ферм и комплексов, а количество животноводческих стоков влажностью до 90% и более достигло 1 млрд куб.м/год. Для размещения отходов птицефабрик используются значительные земельные площади. Например, в Красноярском крае на эти нужды отчуждено более 1000 га (В.М. Перелигин, 1984; И.Д.Гришаев, В.А. Рожкин, Ю.Ф.Клачков, 1982; Е.И.Гончарук, Г.А.Багдасарян, А.К. Баубинас, Р.В. Калинаускас, 1983).
С расширением производства яиц и мяса птицы одновременно возрастают и объемы поступления от птицефабрик различных отходов помета, побочных продуктов технической переработки птицы. Так предприятие средней мощности (400 тыс. кур несушек или 6 млн. цыплят бройлеров) «выдает» в год 40 тыс. т помета, более 600 т отходов технической переработки птицы. По данным (В.В. Владовеца, Н.И. Махонько, 1979) промышленное птицеводство сопровождается значительными выбросами вредных веществ в окружающую среду. Они могут вызвать у человека нарушение физиологических реакций в виде чувства отвращения, головной боли, учащения пульса, повышения артериального давления, нарушения деятельности органов пищеварения, дыхания, зрения, ЦНС, тошноты, повышенного слюноотделения (А.Н. Хохлов 1992г, И.И. Паникар, В.В.Гаркавая, Ю.И.Севрюков, 1988).
Из-за структурной специфики сельскохозяйственных отходов и своеобразия последующих трансформационных процессов активно происходит непосредственный контакт и взаимодействие их с природными компонентами: почвой, водой и др (В.А. Черников, P.M. Алексахин, А.В.Голубев, 2000; A.M. Леонов, В.Г.Судаков, 1999). Особенно остры проблемы охраны окружающей среды в курортных и рекреационных зонах.
Анализ химических показателей сточной воды с очистных сооружений
Для Уральского региона проблема загрязнения почвы промышленными и сельскохозяйственными отходами, отрицательно действующими на происходящие в ней процессы является особенно острой (Т.Ф. Кокоmania, Л.Г. Бабушкина, 1993; Н.А. Луганский, 1993; И.М. Шебалова 1993; О.П.Исвсрова, 2003).
Длительное антропогенное загрязнение лесной подстилки и почвы нарушает существующее в природе равновесие и превращается в ведущий экологический фактор, определяющий направление и развитие микробных сообществ (Э.И. Гапонюк и др., 1982; Т.Л.Михайлова, 1968; Л.Г. Бабушкина, Н.А. Луганский, 1990; Т.Н. Суменкова, Л.Г. Бабушкина, 1990; Т.Ф. Коковкина, Н.М. Шебалова, 1991; Н.М. Шебалова и др., 1991; Л.Л. Левчук, 1991; О.Н.Зубарева, 1993; Н.М. Шебалова, 1993).
Со временем негативные процессы в почвах нарастают, начинается этап их деградации с выраженными ухудшениями свойств и функций вплоть до полной их утраты в результате формируются деградированные почвы (А.М.Русанов, 1998-2003).
В связи с возрастающими масштабами сельскохозяйственного загрязнения среды, оценка его токсического действия на жизнедеятельность биогеоценозов и ранняя диагностика их поражения приобретают особую актуальность.
В последнее время для диагностики почв все более широкое применение находят исследования по её биологической активности.
Современная диагностика почв использует достижения всех разделов почвоведения, оперируя данными по морфологии, химии, физики и минералогии почв. Физические и химические свойства характеризуют относительно консервативные накопившиеся признаки и свойства почв. Биология почв располагает показателями, которые характеризуют динамические свойства почвы и являются индикаторами современного режима жизни почв. Поэтому использование методов биодиагностики и биоиндикацин для общей характеристики состояния почв более перспективно. Оценка состояния почв и протекающих в них процессов с применением ботанической индикации, зоологической диагностики, а также микробиологических, биохимических, альгологическнх, протозоологических тестов, является важным направлением почвенных исследованиях (Г.В. Добровольский, Ю.Т. Гельцер, 1980; Б.П. Стефурак, 1990). Например бнотестироваиие с использованием микроводоросли хлореллы по методикам Ю.Н. Козицкой,2005г. является одним из перспективных подходов к ведению экологического мониторинга сельскохозяйственных и городских земель.
Из всего комплекса агрохимических свойств почвы связанных с урожайностью сельскохозяйственных культур и наиболее четко отражающих плодородие почв, большее значение имеют показатели содержания подвижных форм фосфора, общего азота и т.д., которые содержатся в отходах птицеводства. Анализ зарубежной литературы свидетельствует, что птицеводство и животноводство служит мощным диффузным источником фосфора в окружающую среду (R.F.HoIl, 1970; G.F. Lee, 1973; G.W.Cooke, R.J.Wiliams 1981; P.K.Hanley, M.D.Murphy, 1973; F.G.Viets, 1974). Накопление этих веществ повышает токсический потенциал почвы (М.А.Веротченко, Н.Ф-Хохлов, Т.В.Чомаева, А.С.Метелкин, 2003).
Поскольку превращения веществ в почве обусловлены в основном участием микробных сообществ, при изучении изменений, происходящих в биогеоценозах при антропогенном воздействии, особое внимание следует уделять интенсивности микробиологических процессов, так как более сложные по своей структуре, и более богатые по числу входящих в них видов сообщества отличаются высокой устойчивостью (Е.Н. Мишустин, 1975; Ю. Одум, 1975; Л.В. Етеревская и др., 1978; Т.Г. Зименко и др., 1988).
Высокая активность микроорганизмов и огромные масштабы совершаемых ими планетарных превращений веществ обусловлены их огромной численностью, повсеместным распространением, необычайной скоростью роста и разнообразием метаболических процессов, обусловленных активностью ферментов, выделяемых ими (Ф.Х. Хазиев, 1982; МИ. Бабьева, Г.М. Зенова, 1983).
Биоиндикация состояния окружающей среды по уровню содержания хлорофилла в хвое сосны обыкновенной
Одним из многочисленных методов биоиндикации, который мы применили для оценки состояния окружающей природной среды-метод определения содержания хлорофилла в хвое сосны обыкновенной в зоне деятельности Федерального государственного унитарного племенного птицеводческого завода «Свердловский». Исследования проводились в зимний, весенний и осенний периоды на разных расстояниях по мере удаления от источника загрязнения, с учетом преобладающих в данной зоне ветров.
Результаты определения содержания хлорофилла в хвое сосны обыкновенной в целом соответствуют данным литературных источников о содержании хлорофилла в хвое pinus silvestris. Исключение составляют результаты определения содержания хлорофилла в хвое деревьев осенью: в конце вегетационного периода наблюдалось значительное его увеличение до 1,6%.
Данные о содержании хлорофилла (табл.24) в хвое деревьев, произрастающих на изучаемых пробных площадях, в зимний период либо значительно снижены по сравнению с нижним пределом диапазона значений (0,3-1,3%) содержания хлорофилла для хвои сосны обыкновенной по литературным данным (А.В. Веретенников, 1987), либо незначительно превышают этот нижний предел на всех пробных площадях, за исключением контрольно-пробной площади.
