Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тяжелые металлы и микроэлементы и их роль в окружающей среде 8
1.1. Современные представления о тяжелых металлах и микроэлементах в системе «почвы - сельскохозяйственная продукция - человек» 8
1.2. Экологические проблемы, связанные с аномальным содержанием тяжелых металлов и микроэлементов в почвах и сельскохозяйственной продукции 23
Глава 2. Объекты и методы исследований 40
2.1. Характеристика объектов исследований 40
2.2. Методы исследований 67
Глава 3. Содержание цинка, меди, никеля и хрома в системе «почвы - сельскохозяйственная продукция» Алтайского края 71
3.1. Содержание химических элементов в почвах 71
3.1.1. Зона каштановых почв сухих степей 78
3.1.2. Зона черноземов засушливой и умеренно засушливой степи 86
3.1.3. Зона выщелоченных черноземов и серых лесных почв средней лесостепи 93
3.1.4. Зона черноземов предгорных равнин, предгорий и низкогорий Алтая 97
3.2. Содержание химических элементов в овощных культурах 106
3.3. Содержание химических элементов в продукции животноводства 118
Глава 4. Оценка поступления цинка, меди, никеля и хрома в организм человека 125
4.1. Суточный рацион питания сельских жителей Алтайского края 125
4.2. Суточное потребление химических элементов сельскими жителями с продуктами питания 130
4.3. Проявление заболеваемости, связанное с особенностями поступления химических элементов в организм человека по группам болезней 137
4.4. Регулирование потребления химических элементов с помощью кулинарной обработки сельскохозяйственной продукции 145
Выводы 152
Предложения производству 154
Библиографический список 155
Приложения 182
- Современные представления о тяжелых металлах и микроэлементах в системе «почвы - сельскохозяйственная продукция - человек»
- Характеристика объектов исследований
- Содержание химических элементов в почвах
Введение к работе
Актуальность проблемы. Дополнительное вовлечение в биогеохимический круговорот тяжелых металлов и микроэлементов за счет усиливающейся антропогенной нагрузки приобретает все большее значение для функционирования природных экосистем, здоровья человека.
В жизни растений и животных важную роль играют почвы - ключевое звено в круговороте химических элементов в биосфере. Трансформация эволю-ционно сложившегося биогеохимического цикла биологически важных элементов в компонентах агроэкосистемы (почвах, водах, атмосфере, продуктах питания) вызвала рост количества заболеваний животных и человека (Adriano, 1986; Добровольский, 1988; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Авцьш и др., 1991; Ильин, 1991; Протасов, 2001; Ермаков, 2002; Карлович, 2005, и др.).
Почвенный покров Алтайского края весьма разнообразен. Многообразие почв, их физических и физико-химических свойств обусловили существенную вариабельность концентраций химических элементов. В связи с этим особую значимость приобретает выявление биогеохимических ситуаций поведения химических элементов по природно-почвенным зонам Алтайского края (Бурлакова и др., 1988).
Избыток химических элементов в окружающей среде, как и их недостаток, может привести к нарушению обмена веществ и развитию специфических заболеваний человека. У элементов группы тяжелых металлов, а также у некоторых микроэлементов очень узок оптимальный и токсичный интервал концентраций, в этом заключается сложность регулирования поступления их в организм человека. Возможное отрицательное действие тяжелых металлов на качество продукции растениеводства и животноводства может нанести значительный ущерб здоровью человека (Рейли, 1985; Авцын и др., 1991; Покатилов, 1993; Ягодин, 1995, и др.).
На территории Алтайского края отмечена тенденция усиления неблагоприятных, в экологическом отношении, явлений (Нагорный, 1993; Пузанов, Мальгин, 2000; Бурлакова, Антонова, Деев, Морковкин и др., 2001; Хле-
5 бович, 2001). За последние годы здесь отмечается значительный рост общей
заболеваемости, в том числе онкологических заболеваний,
В настоящее время слабо изучены зональные особенности распределения тяжелых металлов в компонентах агроландшафта, взаимосвязи между биогеохимическими условиями окружающей среды и состоянием здоровья человека. Важность данных вопросов и необходимость их научного обеспечения предопределили выбор цели настоящего исследования.
Цель и задачи исследований. Целью работы является выявление особенностей поступления химических элементов в систему «почвы - сельскохозяйственная продукция—человек» по природно-почвенным зонам Алтайского края.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
Выявить особенности в содержании Zn, Си, Ni и Сг в почвах и сельскохозяйственной продукции разных природно-почвенных зон Алтайского края.
Дать эколого-геохимическую оценку валового содержания и подвижных форм химических элементов в почвах и санитарно-гигиеническую оценку качества сельскохозяйственной продукции.
Рассчитать поступление химических элементов в организм человека с продуктами питания.
Оценить особенности поступления химических элементов в организм человека с продуктами питания по природно-почвенным зонам Алтайского края.
Научная новизна. Впервые определены зональные особенности содержания цинка, меди, никеля и хрома в почвах и сельскохозяйственной продукции разных природно-почвенных зон Алтайского края.
Оценено эколого-геохимическое состояние валового содержания и подвижных форм химических элементов в почвах и санитарно-гигиеническое качество сельскохозяйственной продукции.
Рассчитано поступление цинка, меди, никеля и хрома в организм человека с продуктами питания по природно-почвенным зонам Алтайского края.
Впервые определена структура поступления химических элементов с продуктами питания суточного рациона сельского жителя Алтайского края.
Проведена оценка особенностей поступления цинка, меди, никеля и хрома в организм человека с продуктами питания по природно-почвенным зонам Алтайского края.
Защищаемые положения:
наличие существенных различий в содержании цинка, меди, никеля и хрома в почвах и сельскохозяйственной продукции по природно-почвенным зонам Алтайского края;
существует опасность локального загрязнения цинком, медью, никелем и хромом почв и овощей с приусадебных участков сельских населенных пунктов.
Практическая значимость. Установлены существенные зональные различия в содержании химических элементов в почвах и сельскохозяйственной продукции разных природно-почвенных зон Алтайского края.
Отмечен факт локального загрязнения цинком, медью почв приусадебных участков и цинком, медью, никелем, хромом основных овощных культур.
Материалы исследований могут быть использованы производителями сельскохозяйственной продукции. Данные о содержании химических элементов в почвах, сельскохозяйственной продукции, суточных рационах питания дают возможность их применения для планирования профилактических мероприятий с целью улучшения состояния здоровья населения.
Материалы диссертации используются в учебном процессе в преподавании курсов «Химия», «Неорганическая и аналитическая химия» в Алтайском государственном аграрном университете
Апробация работы. Материалы по теме диссертации были представлены и доложены на II Международной научно-практической конференции (Семипалатинск, 2002), VI Международной научной школе-конференции студентов и молодых ученых (Абакан, 2002), Юбилейной международной научно-практической конференции (Барнаул, 2003), научной конференции профессорско-преподавательского состава агрономического факультета АГАУ (2004), Межрегиональном медико-экологическом форуме (Барнаул, 2006).
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 1 в рецензируемом журнале «Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук», общим объемом 3,6 п.л., с долей автора -1,8 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация представляет собой рукопись объемом 181 страница, состоящую из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка, который включает 282 отечественных и зарубежных источника и приложения. Диссертация содержит, в том числе, 72 таблицы и 15 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.с.-х.н., проф. Г.Г. Морковкину - за консультации, советы и постоянную поддержку при работе над диссертацией. Особую признательность автор выражает зав. кафедрой почвоведения и агрохимии АГАУ Заслуженному деятелю науки РФ, д.с.-х.н., проф. Л.М. Бурлаковой - за ценные советы и консультации. Автор благодарен д.с.-х.н., проф. О.И. Антоновой, д.с.-х.н., проф. С.Ф. Спицыной, к.х.н., доценту Н.А. Невинской, Г.В. Матвеевой - за помощь при выполнении работы.
Современные представления о тяжелых металлах и микроэлементах в системе «почвы - сельскохозяйственная продукция - человек»
Существование биосферы как определенной природной системы выражается, в первую очередь, в круговороте энергии и веществ при участии всех живых организмов. Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому (1926, 1934, 1978, 1980, 1989, 1999), так как именно он развил представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей среду обитания. Он также отмечал, что особую роль в биосфере играют биологические круговороты, где важнейшим процессом является фотосинтез, осуществляемый растительностью планеты, которая оказывает влияние на все компоненты природного комплекса биосферы - атмосферу, гидросферу, почву, животный мир. Растения создают необходимую среду существования и снабжают ее различными веществами. Перенос вещества и энергии осуществляется затем посредством пищевых цепей.
Развивая учение о биосфере, В.И. Вернадский (1934) пришел к следующим выводам: «Биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. Вовлекая неорганическое вещество в «вихрь жизни», в биологический круговорот, жизнь способна со временем проникать в ранее недоступные ей области планеты и увеличивать свою геологическую активность».
В наши дни основой фундаментальных исследований экологических проблем служит учение В.И, Вернадского о переходе биосферы в ноосферу. В.И. Вернадский в 1944 году писал: «Лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и, главным образом, бессознательно» (Вернадский, 1989). На сегодняшний день деятельность человека достигла глобальных масштабов воздействия на биосферу, изменяя круговорот веществ, водный баланс планеты, оказывая сильное влияние на почвы, растительность и животный мир. Антропогенная деятельность создала новые источники загрязнения биосферы токсичными веществами, что в конечном счете может создать угрозу существования самого человека (Ковда, 1976, 1981, 1985; Добровольский, 1980, 1983, 1984, 1986, 1997, 1999; Соколов, 1999, 2000; Безуглова, Орлов, 2000; Байдина, 2001; Галиулин и др., 2001). Роль антропогенного фактора в биосфере представлена на рисунке 1. Антропогенный фактор приравнялся к природным биогеохимическим факторам миграции вещества, а в некоторых звеньях природных круговоротов стал главенствующим (Расупа, 1992; Елпатьев-ский, 1993; Аржанова, Елпатьевский, 1988; Mukhorjee, 2001; Ермаков, 2002).Роль антропогенного фактора в биосфере (Ермаков, 2002) Хозяйственная деятельность человека меняет направленность биогеохимических циклов. Железо, марганец, медь, цинк и другие цветные металлы мобилизуются из рудных месторождений, поступая в циклы биосферы (Глазовская, 1988). Многие химические элементы различными путями попадают в пищевые цепи экосистем. Концентрация того или иного токсиканта доходит до уровня, приводящего к заболеваниям населения и даже к летальным исходам
(Смолянский, 1979; Рейли, 1985; Габович, Припутана, 1987; Альберт, 1989; Белякова, 1990; Авцын и др., 1991; Жаворонков и др., 1993; Покатилов, 1993; Ягодин, 1995, 1998; Поздняковский, 1999; Протасов, 2001; Ревич, 2001). Загрязнение природной среды тяжелыми металлами (ТМ) в настоящее время является одним из наиболее распространенных следствий антропогенного воздействия на биосферу.
Понятие о тяжелых металлах и микроэлементах Однозначного определения тяжелых металлов в научной литературе нет. Тяжелые металлы [лат. metallum - шахта, рудник] группа химических элементов, имеющих плотность более 5 г/см3 (кроме благородных и редких) (Алексеев, 1987; Безуглова, Орлов, 2000). Этот термин заимствован из технической литературы, где металлы классифицируются на легкие и тяжелые. Для биологической классификации правильнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой. К тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 40 атомных единиц (а.е.м.) (Алексеев, 1987), по другим источникам - свыше 50 а.е.м. (Орлов и др., 1991). Иногда ТМ называют элементы, которые имеют плотность более 7-8 тыс. кг/м3 (кроме благородных и редких) (Агаджанян и др., 1997; Орлов и др., 2002).
Характеристика объектов исследований
Нами изучалось поведение цинка, меди, никеля и хрома в системе: «почвы - сельскохозяйственная продукция - человек». Выбор этих элементов обусловлен тем, что они одновременно могут быть как биофилами, так и загрязнителями окружающей среды. Цинк» медь, хром признаны эссенциаль-ными, т.е, жизненно необходимыми элементами; никель - условно эссенци-альным (Авцын с соавт., 199!). Как токсиканты они отнесены к 1-му (цинк) и 2-му (медь, никель, хром) классам опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83). Эти свойства они проявляют в зависимости от их концентрации в различных биогеохимических условиях.
Объекты исследований:
1 -почвы приусадебных участков;
2 - сельскохозяйственная продукция, в том числе овощи и картофель, выращенные на приусадебных участках;
3 - рационы питания жителей, проживающих в сельских населенных пунктах.
Исследования проводили по природно-почвенным зонам Алтайского края (Бурлакова и др., 1988): зона каштановых почв сухих степей (I); подзоны: южных черноземов засушливой степи (Па), обыкновенных, черноземов умеренно-засушливой и колочной степи (Пб); зона выщелоченных черноземов и серых лесных почв средней лесостепи (III); подзоны: черноземов обыкновенных предгорных равнин (VI6), выщелоченных и типичных черноземов луговой степи (VIB) (рис. 3).
Содержание и перераспределение (вынос, аккумуляция) химических элементов в ландшафте тесно связаны с особенностями рельефа, климата, влиянием растительности миграцией природных вод, со свойствами почво-образующих пород и почв.
Алтайский край расположен на территории юго-восточной части Западно-Сибирской низменности в бассейне верхнего течения реки Оби. Его геоморфологическая характеристика дана в работах Г.В. Занина (1958), В.И. Кравцова (1959) и АЛ. Розанова (1956).
Территория Алтайского края представляет собой ряд ступеней, поднимающихся с северо-запада на юго-восток от низменной Кулундинской равнины через равнины Приобского плато и правобережье реки Оби к предгорьям, а затем к горам Салаира и Алтая. Эти ступени, по существу, совпадают с основными геоморфологическими областями, каждая из которых обладает своими генетическими особенностями.
Пространства равнинной части края преде таяляют собой неогеновые и нюкнечетвергачные водно-аккумулятивные равнины, формирование которых было связано с деятельностью потоков, выносивших материал с гор Алтая и Салаира,
Территорию Алтайского края по генетическим признакам делят на несколько областей: Кулундинская низменность, Приобское плато, дниша ложбин древнего стока, Бийско-Чумышская возвышенность, Предсалаирская равнина, предгорье, шпкогорье и среднегорье Алтая.
В Кулундинской низменности, представлявшей собой бассейн, который принимал воды ложбин древнего стока, абразионно-аккумулягивная деятельность, постепенно менявших свой уровень водоемов, создала плоскую озерную равнину с большим количеством бессточных котловин.
Приобское плато располагается между Кулундинской депрессией и долиной реки Оби, Это самая большая по площади зона занимает центральную часть древиеаллювиальных равнин края и ограничивается с юго-востока и юга долинами Алея и Чарыша, а на северо-западе переходит в лесостепь Новосибирской области. Расчленение придает местности широкоувалистый характер с вытянутыми параллельно друг друг) с северо-востока на юго-запад ложбинами и текущими по ним современными реками (Ковалев и др., 1967).
Содержание химических элементов в почвах
Почва служит основным источником большинства химических элементов для растений, а через них - для животных и человека. Она является в то же время мощным барьером на пути промышленных выбросов, содержащих токсичные вещества. Поэтому почва - высоко информативный индикатор уровня содержания химических элементов в окружающей среде (Ильин, 1991).
Оценку по содержанию и степени загрязнения химических элементов в почвах проводят несколькими методами. Принято сравнивать уровень содержания элементов с фоновыми концентрациями в почве данного региона.
Фоновое содержание тяжелых металлов в верхних гумусовых горизонтах Алтайского края (медианный фон) (Морковкин, 2000; 2001) составляет для Zn - 72,0; Си - 22,6; Ni - 29,8; Сг - 69,0 мг/кг. Медианное значение содержания ТМ дает представление о региональном фоне, который образуется в результате совокупного действия всех факторов почвообразования и, прежде всего, почвообразующих пород, а также антропогенного воздействия. Данный показатель можно принять за современный фон конкретной территории.
Для оценки сопоставляют содержание химических элементов в почвах с клартом в литосфере. Кларк в литосфере (Виноградов, 1962) - для Zn - 83; Cu-47;Ni-58;Cr-83 мг/кг.
Основной из методов оценки загрязнения почв - сравнение относительно ПДК или ОДК. Действующие ПДК и ОДК химических веществ в почве приведены в таблице 2 (гл. 1).
В таблице 7 представлена шкала для оценки валового содержания и уровня загрязнения ТМ дія почв со слабокислой и кислой реакцией; в таблице 8 - классификация почв по содержанию и степени загрязнения подвижных форм соединений тяжелых металлов (ААБ).
Шкала экологического нормирования валового содержания тяжелых металлов для геохимической ассоциации почв со слабокислой и кислой реакцией
Показатели шкалы - довольно гибкие величины, учитывающие средние содержания элементов в почвах, их вариабельность в зависимости от концентрации.
Градация почв по содержанию валовых и подвижных форм включает 5 групп (таблицы 8-11) (Методические указания,,., 2003). Первая группа соответствует концентрациям элементов в почвах ниже 0,5 ПДК (ОДК), а численное значение верхней границы второй группы соответствует ПДК (ОДК) данного элемента в почве- Почвы, вошедшие в третью группу, относятся к территории с неудовлетворительной экологической ситуацией. Четвертая группа характеризует почвы, относимые к зоне чрезвычайной экологической ситуации, а пятая - к зоне экологического бедствия.
Почвы, отнесенные к первым трем группам эколого-токсикологической оценки пригодны для возделывания всех сельскохозяйственных культур, однако на почвах, отнесенных к третьей группе, вся продукция растениеводства должна ежегодно контролироваться на содержание тяжелых металлов. На почвах, отнесенных к четвертой и пятой группе, возможно возделывание только технических культур непродовольственного назначения по специальным технологиям.
