Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ЭФФЕКТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ МИКРООРАГНИЗМОВ ПОЧВЫ 11
1.1. Электрические и магнитные поля окружающей среды 11
1.2. Влияние магнитных полей на живые организмы 15
1.3. Механизмы действия магнитных полей 25
1.4. Линии электропередачи как экологический фактор 32
1.5. Адаптация к внешним воздействиям 3 6
1.6. Функциональная роль ферментов в почвенных процессах 42
1.7. Роль ферментов в распаде органических остатков 44
1.8. Роль ферментов в биогенезе гумуса 45
1.9 Роль ферментов в биохимическом гомеостазе почв 47
1.10. Роль ферментов в почвенном метаболизме 50
1.11. Органический состав почвы 51
1.12. Тяжелые металлы: биологическая роль, содержание
1.13. Почвенная биота 61
1.14. Биологические индикаторы почвенного плодородия 68
2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 71
2.1. Условия почвообразования Самарской области 71
2.2. Погодные условия в годы проведения исследований 76
2.3. Характеристика исследуемой ЛЭП-110 кВ в годы Проведения эксперимента 80
2.4. Место проведения и схема опытов 8 .
2.5. Методы исследований 90
2.6. Статистическая обработка результатов 92
3. КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТЖИ МИКРООРГАНИЗМОВ ПОЧВЫ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 93
3.1. Зависимость численности общего количества бактерий почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ 95
3.2. Зависимость численности микроскопических грибов почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ 101
3.3. Зависимость численности актиномицетов почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ 106
3.4. Зависимость численности нитрификаторов почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ 110
3.5. Зависимость численности денитрификаторов почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ 115
3.6. Соотношение микроорганизмов почвы в зоне влияния ЛЭП-ПОкВ 118
4. ХАРАКТЕРИЧТЖА БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МИКРООРГАНИЗМОВ ПОЧВЫ В ЗОНЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЛЭП- 110КВ 126
4.1 Зависимость активности дегидрогеназы почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ 127
4.2. Зависимость уреазной активности почвы от удаленности ЛЭП-ПОкВ 130
4.3. Зависимость пероксидазной активности почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ 133
4.4. Зависимость аскорбатоксидазной активности почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ 136
4.5. Зависимость инвертазной активности почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ 138
5.ОРГАНИЧЕСКИЕ И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 142
5.1. Содержание микроэлементов в почвах исследуемого поля 142
5.2. Гумус и питательные вещества исследуемого поля в зоне влияния ЛЭП 144
5.3. Содержание обменных оснований в почве в зоне влияния ЛЭП 146
5.4. Подвижный фосфор 151
5.5. Подвижный каля, натрий и сера 153
ВЫВОДЫ 154
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 156
ПРИЛОЖЕНИЯ 176
- Электрические и магнитные поля окружающей среды
- Условия почвообразования Самарской области
- Зависимость численности общего количества бактерий почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ
Введение к работе
Актуальность темы. Использование в возрастающих масштабах человеком электромагнитной энергии привело к тому, что в окружающей среде активно проявляется один из видов энергетического загрязнения, а именно, электромагнитный (Григорьев и др., 2002). В настоящее время мировой научной общественностью признано, что электромагнитное поле (ЭМП) искусственного происхождения является важным значимым экологическим фактором с высокой биологической активностью (Сподобаев и др., 2005).
Термин «глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды» официально введен в 1995 году Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ), включившей эту проблему в перечень приоритетных для человечества. В числе немногих всемирных проектов ВОЗ реализуется Международный электромагнитный проект (WHO International EMF Project), что подчеркивает актуальность и значение, придаваемое международной общественностью этой теме (Григорьев и др., 2003).
Эволюционно все живые организмы на Земле подвергались воздействию естественных электромагнитных полей. В связи с этим у многих представителей биологического мира выработалась способность реагировать на самые незначительные изменения геомагнитной обстановки. Резкое значительное повышение уровня ЭМП вызывает напряжение адаптационно - компенсаторных возможностей организма, долговременное действие этого фактора может привести к их истощению, что повлечет необратимые последствия на системном уровне (Григорьев и др., 2003). На сегодняшний день одним из самых распространенных источников электромагнитного излучения являются линии электропередачи (ЛЭП). Воздействие этого антропогенного фактора на экосистемы в настоящее время не нормируется. Протяженность воздушных линий электропередачи напряжением 6 - 1150 кВ в нашей стране составляет более 4,5 млн. км. (Довбыш и др., 2006). Микроорганизмы являются важным компонентом цепей биоценоза, используются как биоиндикаторы химического загрязнения (Коробов, Ковригина, 1999; Данилин и др., 2002). Однако до настоящего времени исследований влияния на них электромагнитных полей промышленной частоты в условиях Среднего Поволжья не проводилось.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры биохимии Самарского государственного университета.
Цель и задачи исследований. Цель работы - выявить эколого-биохимические изменения состава почвы поля озимой пшеницы в Самарской области в естественных условиях в зоне влияния электромагнитного поля линии электропередачи с различной загрузкой.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.
1. Выявить изменения количественных и популяционных характеристик микроорганизмов почвы на различных расстояниях от линии электропередачи с напряжением 110 кВ.
2. Изучить изменение ферментативной активности почвы в зависимости от расстояния до линии электропередачи.
3. Проанализировать зависимость количественных характеристик микроорганизмов и ферментативных активностей почвы в зоне влияния линии электропередачи с напряжением ПО кВ в зависимости от сезона проведения исследования.
4. Определить содержание гумуса и микроэлементов почвы в зоне влияния ЛЭП.
Научная новизна. Автором впервые в условиях степной зоны Среднего Поволжья выявлено влияние электромагнитного поля линии электропередачи на комплекс микробиологических и биохимических показателей почвы. Проанализирована зависимость численности микроорганизмов почвы от расстояния до источника электромагнитного поля. Впервые исследованы изме 8
нения ферментативной активности почвы в зоне влияния электромагнитного поля линии электропередачи. Впервые выявлено в условиях степной зоны Среднего Поволжья содержание микроэлементов в почве в зоне влияния линии электропередачи.
Теоретическое значение работы. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования микроорганизмов почвы в качестве биоиндикатора электромагнитного загрязнения окружающей среды. Отраженные в диссертации материалы, научные положения и выводы могут быть применены для развития теоретических основ современной экологии, экологической биохимии, биофизики и экологической физиологии микроорганизмов почвы.
Практическая значимость работы. Материалы диссертации могут быть использованы в научно-исследовательской работе по всестороннему исследованию действия электромагнитных полей антропогенного происхождения на различные живые организмы. Они могут найти применение при разработке природоохранных нормативных документов для размещения и эксплуатации электротехнических сооружений в условиях природных ландшафтов, а также могут служить методологической основой при изучении почвенных сообществ другими научно-исследовательскими организациями и вузами.
Реализация результатов исследований. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на биологическом факультете Самарского государственного университета на кафедре биохимии в лекционных курсах «Экологическая биофизика» и «Радиоэкология».
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на научной конференции профессорско-преподавательского состава кафедры биохимии СамГУ (Самара, 2006); научной конференции с международным участием «Успехи современного естествознания» (Сочи- 2005) академии естествознания; на международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти- 2006); на XIII международ 9
ной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов -2006» (г. Москва); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 100-летию д.б.н., проф. Л.В.Воржевой (Самара - 2006); на V съезде по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) (Москва - 2006) (награждена 1-ой премией). Диссертация была доложена в полном объеме на расширенном заседании кафедры биохимии Самарского государственного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе три - в издании, включённом в список ВАК РФ.
Декларация личного участия автора. Автором в период 2002...2006 гг. лично осуществлены все полевые исследования, обследование изучаемой местности, замеры напряженности электрического и магнитного полей ЛЭП, отбор образцов для лабораторных анализов. Подготовка почвенных образцов, их микробиологический и биохимический анализ, обработка цифровых данных, написание текста диссертации осуществлены автором самостоятельно. В диссертации использованы работы, опубликованные в соавторстве. Доля личного участия автора в написании и подготовке этих публикаций составляет 80%.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Электромагнитное поле ЛЭП-110 кВ в условиях поля озимой пшеницы Безенчукского района Самарской области оказывает существенное влияние на численность бактерий, микроскопических грибов, актиномицетов, нитри-фикаторов, денитрификаторов.
2. Уровни уреазной, дегидрогеназной, инвертазной, пероксидазной активностей почвы зависят от интенсивности электромагнитного поля ЛЭП.
3. Реакция различных групп микроорганизмов почвы поля озимой пшеницы на электромагнитное поле линии электропередачи в разные сезоны года выражена неодинаково. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Ее объем составляет 197 страниц. Работа содержит 42 рисунка и 21 таблицу. Список литературы включает 224 источник, в том числе 76 - иностранные.
Электрические и магнитные поля окружающей среды
ЭМП определяются как электростатические взаимодействия, возникающие между заряженными частицами вне зависимости от подвижности последних, так и магнитной составляющей ЭМП, которая определяет взаимодействие между движущимися зарядами (Гичев, 1999). Обе составляющие ЭМП различаются не только по физическим параметрам, но и степени биологической активности. Кроме того, они обладают различной устойчивостью во внешней среде: электрические поля почти полностью блокируются естественными преградами, в то время как магнитные поля способны проникать через них (Heath, 1996; Electric and magnetic field, 1996).
Электромагнитный спектр занимает диапазон частот излучения 0 -1022Гц. Неионизирующая часть электромагнитного спектра находится в диапазоне частот 0-1015 Гц (Григорьев, Степанов, 1999). В соответствии с международной классификацией антропогенные источники ЭМП делятся на две группы (Гичев, 1999):
1. Источники ЭМИ крайне низких и сверхнизких частот (0-3 кГц) (все системы производства ЛЭП, электростанции, системы электропроводки жилых зданий, кабельные системы, а также широкий спектр электробытовой техники, электротранспорт);
2. Источники ЭМИ радиочастотного микроволнового диапазонов (3 кГц -300 ГГц) (радиостанции, радио- и телепередатчики, компьютерные мониторы, телевизоры, сотовые телефоны, различное медицинское оборудование, микроволновые печи).
ЭП - это форма накопленной энергии. Интенсивность (или напряженность) ЭП - это векторная величина, обозначается как Е, единица измерения
- вольт на метр (В/м). ЭП происходит от разделения заряженных частиц, оно может существовать полностью изолированно от магнитного, если заряд неподвижен или «статичен». Заряженные частицы в ЭП подвержены действию силы. Поскольку материя состоит из таких заряженных частиц, как электроны, нейтроны и протоны, электрические поля могут воздействовать на многие вещества (Deno, Carpenter, 1994). ЭП сопутствует вектор поверхностной плотности заряда D=eE (измеряется в кулонах на квадратный метр, Кл/м ), є
- диэлектрическая проницаемость вещества.
МП является формой накопленной энергии. Интенсивность (или напряженность) МП - это векторная величина, обозначается как Н, единица измерения - ампер на метр (А/м). МП происходит от электрического тока, то есть от движения заряда. Движущиеся заряженные частицы в МП подвержены действию силы. МП сопровождается вектором плотности магнитного потока В (измеряется в теслах, также часто используется миллигаусс), В=дН, здесь ц - магнитная проницаемость вещества (Суорц, 1987).
ЭМП - это распространяющаяся объединенная форма изменяющегося электрического и магнитного полей. Изменяющаяся поверхностная плотность заряда, D, дает начало индуцированному МП, Н, а изменяющийся магнитный поток, В, порождает индуцированное ЭП, Е. Чем быстрее изменяется D или В (чем выше частота), тем больше индуцированное Н или Е поле, соответственно. На низких частотах электрическое и магнитное поля мало способствуют друг другу и, таким образом, могут рассматриваться отдельно. К этой категории относится промышленная частота 50-60 Гц (Deno, Carpenter, 1994).
Промышленная частота и ее гармоники относятся к неионизирующей радиации. МП линии электропередачи имеет длину волны 5000 км и частоту 50 (60) Гц. Для сравнения, длины волн видимого света укладываются в диапазон от 4хЮ"7 до 7Х10 7 м, а частоты - от 8 1014 до 4хЮ14 Гц. Естественные ЭМП в сущности постоянны с небольшими изменениями. Эти изменения не являются повторяющимися и не характеризуются единственной частотой. Такие поля располагаются в самой нижней части электромагнитного спектра (Deno, Carpenter, 1994). Анализ квази-статических полей базируется на упрощающих допущениях. Естественные многочастотные ЭП первично происходят из атмосферных условий и от солнца. Таким образом, величина естественного ЭП сильно зависит от погоды. В хорошую погоду Земля имеет постоянное ЭП, обычно направленное вниз (90-120 В/м) (Clark, 1958). В течение дня поле изменяется более чем на 50% и имеет тенденцию следовать предсказуемым моделям. Также имеются ЭП различных частот, но они намного меньше по амплитуде и быстро сходят на нет при увеличении частоты (Large, Wormell, 1958). Напряженность поля намного выше в бурю. Она может достигать от 5 до 20 кВ/м по соседству с грозой. Эти поля также могут изменять полярность в ненастную погоду. 60-герцевая составляющая в норме бывает порядка 10-4В/м.
Условия почвообразования Самарской области
Самарская область расположена в юго-восточной части европейской территории России в среднем течении крупнейшей в Европе реки Волги и занимает площадь 53,6 тыс. кв. км. На севере она граничит с Республикой Татарстан, на юге - с Саратовской областью, на востоке - с Оренбургской областью, на северо-западе - с Ульяновской областью. Область протянулась с севера на юг на 335 км и с запада на восток на 315 км.
Самарская область имеет резко континентальный климат, со среднегодовой температурой воздуха +3,8 градусов по Цельсию, средней температурой января -13,9 градуса, средней температурой июля +20,1 градуса. Для него типично невысокое давление воздуха и активная циклоническая деятельность. Зима здесь холодная и продолжительная, лето жаркое с частыми засухами, с большими колебаниями температуры и неустойчивостью погоды. Осень и весна продолжительны и хорошо выражены. Снежный покров и ледостав на водоемах устанавливается во второй-третьей декаде ноября. Таяние снегов и вскрытие рек обычно происходит в первой декаде апреля. Близость безводных азиатских полупустынь сказывается на климате южных регионов области, что выражается там в периодических засухах. Это же обстоятельство делает значительные земельные угодья области зоной рискованного земледелия. Будучи лесостепным по характеру краем, Самарская область на севере покрыта хвойными и широколиственными лесами, а ее юг и восток занимают преимущественно степные районы.
Вегетационный период начинается в середине второй декады апреля и заканчивается во второй декаде октября. Продолжительность его 172-181 день. Активный рост большинства сельскохозяйственных культур начинается при температуре воздуха выше +10С. Продолжительность его 135-147 дней, а сумма активных температур, при среднем значении 2400, в отдельные годы составляет 2800-2900. Период активной вегетации может быть сокращен из-за заморозков. Последние весенние заморозки на юго-востоке области в среднем наблюдаются в конце второй декады мая. В отдельные годы заморозки продолжаются до 10-12 июня. Средняя дата первого осеннего заморозка 20-25 сентября. Продолжительность безморозного периода в среднем 125-138 дней.
Самым неустойчивым элементом климата области являются осадки. Они сильно колеблются как по годам и месяцам, так и по периодам вегетации. В год выпадает около 441 мм осадков.
средние суммы осадков:
-за год-441мм;
-за вегетационный период - 236 мм Средние даты:
- начало снеготаяния - 23 марта;
- конец снеготаяния - 8 апреля;
- окончание весенних заморозков - 18 мая;
- образование устойчивого снежного покрова - 25 ноября;
- начало сенокошения злаковых трав - 15 июня;
Водные ресурсы. На территории области расположен участок (340 км) крупнейшей реки Европы - Волги. Из наиболее крупных ее притоков в пределах области являются Самара, Большой Иргиз, Сок, Чапаевка, Уса, Безенчук, Большой Черемшан и Сызранка. Кроме того, по области протекает около 200 более мелких рек и ручьев, принадлежащих водосборному бассейну реки Волги. Эти реки со своими притоками образуют речную сеть области. Качество воды реки Безенчук стабилизировалось, и вода оценивалась как "грязная". Из характерных загрязняющих веществ выделялись соединения меди и фенолы, среднегодовые концентрации которых составляли соответственно 9 и З ПДК, максимальные - 29 и 6 ПДК. Химическое потребление кислорода превышало норму в 2 раза.
Почвы. Самарская область расположена в лесостепной и степной зонах. Почвы преимущественно тёмно-серые и чернозёмы (выщелоченные, среднегумусные и тучные). Самарская область - крупный сельскохозяйственный район страны. По состоянию на 01.01.03 г. земельный фонд Самарской области составляет 5,4 млн. га.
Распределение земель по категориям показывает преобладание в структуре земельного фонда Самарской области земель сельскохозяйственного назначения - 76,8%. Земли лесного фонда занимают 9,8% площади области, земли населенных пунктов - 6,3%, земли промышленности, транспорта и иного несельскохозяйственного назначения - 1,3%, земли особо охраняемых природных территорий - 2,5%.
Рельеф Самарской области неоднороден. Река Волга, которая протекает через область с севера на юг, делит ее на две неравные части. Большая часть - Заволжье - лежит в левобережье, меньшая находится в правобережье, называется Предволжье и включает в себя Приволжскую возвышенность с Самарской Лукой. Здесь рельеф пересечен оврагами и балками, а в северной части Самарской Луки поднимаются Жигулевские горы (высшая точка -370,6 метра над уровнем моря). Напротив Жигулевских гор расположено Высокое Заволжье, куда входят Сокольи горы, Сокские горы и Кинельские Яры. На северо-западе левобережья простирается Низкое Заволжье. Юг области -волнистая равнина. Чем дальше на восток, тем круче ее перекаты, постепенно переходящие в предгорья Урала.
Зависимость численности общего количества бактерий почвы от удаленности ЛЭП-110 кВ
Бактерии очень быстро размножаются при поступлении свежего органического вещества. Основными факторами, определяющими численность и состав микроорганизмов в почвах, являются содержание органического вещества, реакция почвы, влажность, температура и др. (Ж. Воинова - Ройкова и др., 1986 г., Т.Г. Добровольская и др., 2001г.).
Неспорогенные формы бактерий размножаются быстрее, чем бациллярные, поэтому бациллы встречаются на более поздних этапах сукцессии, они обладают более мощным ферментативным аппаратом и могут питаться веществами, недоступными неспороносным бактериям.
Почва создает условия для развития микроорганизмов, последние в свою очередь влияют на процессы, протекающие в почве. В каждой почве, обладающей конкретными физико - химическими свойствами, развиваются определенное количество и группа микроорганизмов, и устанавливается биологическое равновесие, характерное для данных условий и сезона. Изменение водного, питательно и воздушного режимов почвы сказывается существенным образом на микрофлоре: меняется количество отдельных групп микроорганизмов, динамика и интенсивность микробиологических процессов. В экологических системах, вследствие сочетания различных факторов в почве устанавливается экологическое равновесие, которое наиболее сильно нарушается антропогенным воздействием (Н.И. Оруджаева, 2006г.)
Из анализа полученных данных можно говорить о наличии влияния напряженности электрического и магнитного полей линии электропередачи с напряженностью 110 кВ на общую численность бактерий исследуемых почв. Во все сезоны проведения исследования: осень, лето, весна отмечена одинаковая тенденция изменения количества исследуемых микроорганизмов.
Выраженность реакции бактерий на исследуемый физический фактор воздействия наиболее велика весной. Также отмечено, что весной наиболее высока численность бактерий. По полученным результатам можно говорить о том, что весной наиболее оптимальны условия для жизнедеятельности бактерий.
Зависимость численности бактерий на глубине 15-30 см от удаленности ЛЭП-110 кВ.
Анализ представленных данных позволяет сказать, что максимальное увеличения численности бактерий наблюдается непосредственно под проводами линии электропередачи и составляет весной - 30 106 КОЕ/г почвы, летом и осенью - 26 106 КОЕ/г почвы. Минимальное изменение количества микроорганизмов отмечено в зоне удаления от ЛЭП-110 кВ на 100 м и более и составляет весной - 9 106 КОЕ/г почвы, летом и осенью - 8 106 КОЕ/г почвы. Удаление ЛЭП дает эффект снижения количества бактерий по мере снижения напряженности электромагнитного поля. По произведенным расчетам затухание электромагнитного поля наблюдается при удалении от ЛЭП на 100 м. Такая же тенденция изменения численности бактерий наблюдается нами на рисунке 3.2. - на расстоянии 100 м количество исследуемых микроорганизмов приближается по значению к контролю. Исследование проб почвы удаленных от ЛЭП более чем на 100 м показывает, количество микроорганизмов не изменяется, и по значению не отличаются от контрольных проб почвы, взятых на расстоянии 1500 м.
Полученные данные могут свидетельствовать о том, что электромагнитное поле ЛЭП-110 кВ влияет на показатель численности бактерий.
Из полученных нами данных можно сделать вывод, что количество бактерий весной в среднем выше на 131% по сравнению с численностью данных микроорганизмов осенью и летом. Количество бактерий осенью и летом статистически значимо не отличаются.
