Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Источники тяжелых металлов и масштабы загрязнения ими окружающей среды. Роль тяжелых металлов в жизнедеятельности человека и животных 6
1.2. Тяжелые металлы в почве и ответная реакция почвенных микроорганизмов на их концентрации 10
1.3. Значение тяжёлых металлов в жизнедеятельности растений и возможные пути снижения их выноса в биомассе растений 19
1.4. Миграция тяжелых в металлы в системе корма-животные-молоко
и приемы снижения их поступления 26
Глава 2. Объект и методы исследования 31
2.1. Почвенно-климатические условия района исследований 31
2.2. Объекты исследования 32
2.3. Методы исследований 38
2.3.1. Методы исследования почвы и её биологической активности 38
2.3.2. Методы исследований кормов и молока 40
Глава 3. Результаты исследований 42
3.1. Экологическое состояние естественных пастбищ Красноярской лесостепи 42
3.1.1. Агрохимическая характеристика почв естественных пастбищ в зонах техногенных выбросов 43
3.1.2. Содержание солей тяжёлых металлов в почвах пастбищ 51
3.1.3. Характеристика микробоценозов и биологической активности почв пастбищ 57
3.2. Характеристика фитоценозов естественных пастбищ - основной кормовой базы крупного рогатого скота 73
3.2.1. Ботанический состав фитоценозов 73
3.2.2. Валовое содержание тяжёлых металлов в кормах пастбищного и стойлового периодов 84
3.3. Химический состав молока и содержание в нём солей тяжёлых металлов 98
3.4. Анализ путей миграции тяжелых металлов в продукты животноводства (молоко) 113 Практические рекомендации 120
Выводы 121
Список используемой литературы 123
- Источники тяжелых металлов и масштабы загрязнения ими окружающей среды. Роль тяжелых металлов в жизнедеятельности человека и животных
- Почвенно-климатические условия района исследований
- Агрохимическая характеристика почв естественных пастбищ в зонах техногенных выбросов
Введение к работе
Среди экологических проблем одно из важнейших мест занимает качество продуктов питания человека. Значительное ухудшение экологической обстановки приводит к поступлению и накоплению токсичных веществ (тяжёлых металлов, пестицидов и др.) в организме сельскохозяйственных животных и, как следствие, в продуктах животноводства (мясо, молоко) (Головков, 1994; Прокаш, 1994; Шапошников и др., 1994).
Контроль за состояние биосферы и ее загрязнения химическими веществами в сырьевых зонах производства молока играет решающую роль в получении качественных с экологической точки зрения молочных продуктов. Из всех элементов биосферы, влияющих на качественные показатели молока по критериям безопасности, особое беспокойство вызывает прогрессирующее загрязнение почв (Вернадский, 1940). В отличие от атмосферы и гидросферы, где наблюдаются процессы периодического самоочищения от загрязнителей, почва практически не обладает такой способностью. Под воздействием загрязнителей изменяется общая численность микроорганизмов, снижается их видовой состав, меняется структура микробоценозов, снижается интенсивность основных микробиологических процессов, а также активность почвенных ферментов (Наплё-кова и др., 1985; Ягодин и др., 1996; Петухова и др., 1999; Колесников и др., 2000; Черников и др., 2001; Артамонова, 2002; Полонская, 2002). Почвы являются начальным звеном в биогеохимической пищевой цепи и начальным этапом миграции тяжёлых металлов в системе: почва - растение - животное -продукт питания (Ильин, 1991; Бокова, 2005).
Естественные пастбища и сенокосные угодия, являющиеся основной сырьевой базой молочных хозяйств пригородной зоны города Красноярска, испытывают антропогенную нагрузку. В последние годы выброс в окружающую среду токсичных соединений не снижается и остается высоким (Государственный доклад ...,2003). Последствием этого является нарушение естественного содержание минеральных и органических веществ в звеньях пищевой цепи наземных экосистем. При этом соединения тяжелых металлов, таких как свинец,
кадмий, медь, цинк, могут включаться в биохимические круговороты веществ, загрязняя почву, гидросферу и атмосферу, и в конечном итоге попадать в организм животных и человека. В связи с этим, в целях обеспечения продовольственной безопасности жителей г. Красноярска, исследования естественной цепи загрязнения сырого молока токсичными соединениями являются актуальными.
Цель - изучить влияние техногенного загрязнения на естественные пастбища пригородных хозяйств и проанализировать миграцию токсических веществ в цепи «почва-растения (корма)-молоко».
Основные задачи:
- исследовать агрохимические показатели и биологическую активность почв ес
тественных пастбищ Красноярской лесостепи в зонах с разным уровнем техно
генного загрязнения;- изучить видовой состав растений фитоценозов пастбищ;
- определить содержание свинца, кадмия, меди, цинка в почве, растениях, мо
локе.
Научная новизна. Впервые проведена комплексная эколого-токсикологическая оценка пастбищ хозяйств пригородной зоны г. Красноярска, расположенных в зонах с разным уровнем техногенного загрязнения. Определен современный видовой состав растительности пастбищ. Проведена оценка агрохимических показателей и биологической активности почв пастбищ. Установлен уровень загрязнения солями тяжелых металлов сырого сборного молока в исследуемых хозяйствах и коэффициенты перехода солей тяжелых металлов свинца, кадмия, меди, цинка, из кормов рациона коров в молоко.
Защищаемые положения 1. Уровень техногенного загрязнения агроэкосистемы находит свое отражение в изменении видовой структуры фитоценоза и микробоценоза почв естественных пастбищ
2 Накопление тяжелых металлов в биомассе растений в зонах с различным уровнем техногенного загрязнения обусловлено увеличением доли подвижных форм тяжелых металлов в почве из-за перестройки структуры микробо- и фитоценоза пастбищ.
З.Концетрация тяжелых металлов в молоке тесно связана с их содержанием в кормах рациона
Практическая значимость. Установленные коэффициенты перехода солей тяжелых металлов из кормов рациона коров в молоко дают возможность прогнозировать получение его с безопасным содержанием указанных токсикантов. Результаты исследований могут применяться в экологическом мониторинге качества пищевых продуктов в Красноярском крае, а также могут использоваться в учебном процессе по дисциплинам «Экология», «Кормопроизводство» и «Животноводство».
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе, 1 статья в журнале, входящем в перечень рекомендованных ВАК РФ. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на VIII Всероссийском симпозиуме «Гомеостаз и окружающая среда» (Красноярск, 1998), Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999), Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2003,2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них 1 в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Личный вклад автора. Автор лично участвовала в планировании и проведении экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных результатов, написании работы.
Благодарности. Автор выражает благодарность д.б.н. В.И. Полонскому, д.б.н. Д.Е. Полонской, д.б.н. Е.А. Ивановой, к.с.-х.н. Б.С. Флоренсовой, к.б.н. Н.Е. Носковой, к.б.н. СВ. Хижняка за ценные консультации; к.б.н. Т.В. Павловой, за помощь при проведении совместных исследований; коллегам по ИЦ КрасГАУ за поддержку в период оформления диссертации.
Источники тяжелых металлов и масштабы загрязнения ими окружающей среды. Роль тяжелых металлов в жизнедеятельности человека и животных
Ежегодно в мире промышленными предприятиями и транспортом выбрасываются в воздух сотни миллионов загрязняющих окружающую среду веществ, в конечном итоге это приводит к загрязнению продуктов питания. Значительное место среди поллютантов занимают тяжелые металлы (ТМ). Загрязнение продуктов питания начинается с почвы, затем ТМ попадают в растения, которые являются продуктами питания человека. Либо через животных, питающихся этими растениями, в продукцию животноводства - молоко, мясо, яйца. Загрязнение продуктов питания ТМ с каждым годом приобретает все большую остроту (Бертокс, 1980; Ильин, 1982; Демина, 1989; 1991; Покатилов, 1993; Воробейчик и др., 1994; Байдина, 1995; 1996; Аббас, 1999; Барышников, 1997; Лозановская, 1998; Аббас, 1999; Болотина, 1999).
К ТМ условно относят группу химических веществ, имеющих плотность более 5 г/см3 и атомную массу свыше 50. Они имеют важное биохимическое и физиологическое значение, обладают высоким сродством к физиологически активным органическим соединениям и способностью инактивировать их. Это так называемые микроэлементы - медь, цинк, молибден, кобальт, марганец. В зависимости от концентрации в природной среде эти вещества определяют или как микроэлементы, или как ТМ. К группе наиболее токсичных ТМ относятся кадмий, свинец, цинк, ртуть, таллий к умеренно опасным - медь. ТМ считаются наиболее опасными загрязнителями окружающей среды, потому, что их техногенное накопление в окружающей среде идет высокими темпами (Большаков, 1987; Каплунова, Большаков, 1987; Сает и др., 1990; Ильин, 1991).
В окружающую среду ТМ попадают различными путями. Источники поступления ТМ подразделяются на природные и техногенные. К природным источникам относятся: выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность (Ковда, 1985; Волошин, 1997; Банников, 1999; 2000; Гайдукова, 2000; Красницкий, 2000; Степановских, 2000)
Техногенные источники загрязнения почв ТМ по масштабам загрязнения и по удельному вкладу могут быть расположены в следующий ряд: аэральные выбросы предприятий черной и цветной металлургии (наиболее мощный источник загрязнения); затем автотранспорт; далее жидкие и твердые отходы, пестициды, органические удобрения, минеральные удобрения. Также загрязнение ТМ может происходить при добыче их из недр в результате рассеивания; другие источники - тепловые электростанции, железнодорожный транспорт, применение кормовых добавок в животноводстве. Среди сельскохозяйственных источников загрязнения больше всего ТМ поступает при орошении полей сточными водами (Левина, 1972; Ильин, 1991; Большаков, 1993; Овчаренко, 1995; Трубилин, 1997; Степановских, 2000; Радомская, 2006).
Со сточными водами электростанций в природные водные объекты сбрасываются загрязняющие вещества, среди которых соли ТМ хлориды, сульфаты и другие соединения Сточные воды предприятий цветной металлургии загрязнены многими вредными токсичными веществами, в том числе солями ТМ (Си, Pb, Zn, Ni, и др.) (Минеев, 1981; Елпатьевский, 1982; Ильин, 1991; Большаков, 1993; Овчаренко, 1995; Садовникова,1995; Лозановская, 1998; Касатиков, 1999; Государственный доклад..., 2000; Степановских, 2000).
Вклад в общий выброс кадмия доля цинко-кадмиевых плавильных заводов составляет 60 %, медно-никелевых - 23 %, от сжигания топлива и отходов - 10 % и 3 % соответственно. Загрязнение природной среды свинцом происходит главным образом в результате сжигания бензина - 60 % и производства цветных металлов - 22 %; производство железа, стали, ферросплавов вносит 11 % общего выброса свинца. Цинком загрязняют среду выбросы цинко-кадмиевых плавильных заводов - 60 %; при производстве железа, стали и сплавов в окружающую среду поступает 13 % общего количества выбросов цинка, в результате сжигания отходов - 17 % и древесины - 6%. Основные источники загрязнения медью - медно-никелевые плавильные заводы - 50 %, сжигание топлива -22%, производства железа, стали и ферросплавов -11 %, сжигание древесины -11 % (Шелюг, 1980; Ковда, 1985; Ягодин, 1989; Ильин, 1991; Овчаренко, 1995; 1996; 1999; Лзановская, 1998).
В Красноярске и пригородной зоне основные предприятия, сточные воды которых загрязнены солями ТМ (меди, свинца, кадмия, цинка) это ОАО «КРАЗ». Основные предприятии-загрязнители атмосферного воздуха в электроэнергетике: ТЭЦ - 1, ТЭЦ - 2 города Красноярска, ОАО «Красноярская ГРЭС - 2». Основным загрязнителем по свинцу в городе Красноярске является автомобильный транспорт (Государственный доклад..., 2000).
Все вышесказанное свидетельствует о том, что большая степень загрязнения ТМ, в первую очередь касается почвы, как основной среды, депонирующей тяжелые металлы. Продукция растениеводства, выращенная даже на слабо загрязненных почвах, способна вызвать кумулятивный эффект, это приобретает особую важность, поскольку в основном с растительной пищей ТМ поступают в организм человека и травоядных животных. Поступив в организм человека ТМ, накапливаются преимущественно в печени и выводятся крайне медленно (Бертокс, 1980; Евдокимова, 1995; Гайдукова, 2000; Яппа-ров, 2003).
Однако в живых организмах металлы играют двоякую роль, в малых количествах, будучи микроэлементами, они входят в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальный ход процессов жизнедеятельности. Микроэлементы не менее чем витамины и другие пищевые вещества, необходимые в микроколичествах , играют решающую роль в обмене веществ. Недостаток или избыток микроэлементов может вызвать весьма глубокие нарушения в обмене веществ человека и животных, а также специфические заболевания (Баженов, 1970; Антонов, 1993; Бойченко, 1999; Ерышова, Танде-лов, 2004).
Почвенно-климатические условия района исследований
Земледельческая часть Красноярского края расположена между 53 и 59 градусами северной широты в трёх зонах почвенно-климатических условий: тайги и подтайги, лесостепной и степной. Среднегодовая температура воздуха колеблется от -1,9 до + 1,2 С. Температура почвы в июле +24 С. Безморозный период в разные годы составляет от 85 до 125 дней. Среднегодовое количество осадков 340-420мм. В мае-июне осадков обычно недостаточно (15-20 % от общегодового), что отрицательно сказывается на развитии зерновых культур и приводит к снижению урожая. Часто повторяются засухи, нередко 2-3 года подряд. Вторая половина лета более увлажнённая, осадки носят ливневый характер. Осень короткая, с постепенным наступлением низких температур. Зима малоснежная, холодная, продолжительная - от 5 до 7 месяцев, средняя температура января от -36С до - 20С. Весна наступает в середине апреля, но ежедневные заморозки задерживают развитие растительности и сокращают продолжительность вегетационного периода.
Почва имеет довольно высокий запас гумуса, фосфора, калия, но подвижность их недостаточная. В работе П.С. Бугакова с соавт. (Бугаков, Чупрова, 1970) отмечается, что во всех чернозёмах аккумуляция органического вещества в верхних слоях повышена. Ограниченность проникновения летних осадков вглубь почвы сокращает мощность слоя, характеризующегося биологическими процессами. На долю верхнего слоя (0-20см) приходится большая часть гумуса и азота (55-69%), что отличает их от аналогичных почв Европейской части страны. Причиной повышенной гумусированности верхнего горизонта чернозёмов, авторы считают, являются особенности гидротермического режима, а небольшая глубина проникновения температур выше 10 С в сочетании с малой промачиваемостью почвенного профиля приводит к локализации биологических процессов в верхних слоях. В составе органического вещества преобладают органические кислоты. Величина отношения Сгк : Сфк равна единице или несколько выше. Гумус красноярских чернозёмов содержит в 2-3 раза меньше гуминовых кислот, чем чернозёмы Европейской части страны и отличается слабой растворимостью. Для выщелоченного чернозёма, особенно в условиях лесостепи характерно следующее: 1.Сравнительно высокое содержание валового азота, 2-3 % его переходит в легкогидролизуемые формы. Максимум нитратов приходится на период всходов, минимум - фазу цветения. Содержание аммония в корнеобитаемом слое невелико и урожай на 80 - 90 %, считают авторы, формируется за счёт нитратной формы азота, а роль аммония усиливается при недостатке первого. 2. Валовое содержание фосфора в пахотном слое 0.18-0.25%, при этом преобладают недоступные для растений формы фосфатов. Внесение фосфорных удобрений сопровождается небольшим увеличением подвижности фосфатов.
Почвы имеют глинистый и среднеглинистый механический состав. Рельеф холмисто-увалисто- равнинный, местами расчлененный речной сетью и сопками грядообразных форм.
Агрохимическая характеристика почв естественных пастбищ в зонах техногенных выбросов
Красноярский край отличается большим разнообразием природных условий. С этим связана неоднородность агрохимических свойств почв, изучение которых является одним из главных факторов, обеспечивающих плодородие почв пашни и пастбищ. Из всего разнообразия почв, характерных для Красноярской лесостепи для исследования во всех трех хозяйствах были выбраны пастбища, расположенные на черноземе выщелоченном. В структуре почвенного покрова пашни Красноярского края чернозёмы выщелоченные составляют 30,96 %. Хозяйства, почвы которых мы анализировали, расположены в разных зонах экологической опасности: ОАО «Емельяновское» - зона среднего, умеренно-опасного уровня загрязнения; агрофирма «Маяк» - зона высокого опасного уровня загрязнения; СПК «Березовское» - зона очень высокого, чрезвычайно опасного уровня загрязнения (Мирошников, Горбачев, 1999).
По данным П.С. Бугакова и В.В. Чупровой (1995) чернозем выщелоченный имеет следующий тип профиля (А-АВ-В-ВК-ВСК-СК). А - гумусовый горизонт; АВ - переходный горизонт с преобладанием гумусовой окраски; В- безгумусовый, бескарбонатный; Ск - карбонатный горизонт. Гумус определяет плодородие почв и является источником элементов питания растений. В нём сосредоточено 98 % всего запаса почвенного азота, 80 % - серы, 40 - 50 % -фосфора (Танделов и др., 1997). От гумусного состояния зависят биологическая активность и биогенность почвы, определяющие интенсивность процессов минерализации и гумификации, реакция среды, динамика питательных элементов, трансформация загрязняющих почву веществ. Благоприятные гидротермические условия, качество и количество поступающих в почву растительных остатков, большая численность и богатый видовой состав микроорганизмов обуславливает в зоне чернозёмных почв высокую интенсивность биохимических процессов в течение летнего сезона. Такие условия способствуют накоплению гумуса с высококачественным гуматным или фульватно-гуматным составом. Содержание гумуса в слое 0-20 см в чернозёмах различных административных районов края колеблется от 6,16 % до 12,43 %.(Бугаков, Чупрова, 1995)
Среднестатистические данные содержания гумуса за вегетационный период в чернозёме выщелоченном хозяйств, расположенных в зонах с разным уровнем техногенного загрязнения, представлены в таблице 3.1.
Содержание гумуса в черноземе выщелоченном трех изучаемых хозяйствах, варьировало от 6,95 % до 13,30% (табл.3.1).
Однако в отдельно взятом хозяйстве коэффициент вариации был невысоким и понижался с 9,95 % в ОАО «Емельяновское» до 7,63% в СПК «Березов-ское», что говорит о незначительном разбросе данных по хозяйству. В соответствии с показателями гумусного состояния почв по Л.А. Гришиной и Д.С. Орлову (1978) почвы пастбищ по среднему содержанию гумуса (10,12-11,71%) оценивались высоким уровнем. Значительных отличий в содержании гумуса по хозяйствам не было.
Остальные агрохимические показатели почв пастбищ даны в таблице 3.2. Была определена структура почв пастбищ хозяйств по степени кислотности (рНка)-Кислотность - один из основных показателей плодородия почвы, от неё зависит уровень урожайности, качество продукции. Она оказывает непосредственное влияние, как на растения, так и на все химические, физико-химические и биологические процессы, протекающие в почве, и определяет уровень минерального питания сельскохозяйственных культур. При кислой реакции среды повышается в почвенном растворе содержание алюминия и марганца, которые в высоких концентрациях токсичны для растений. При избыточном количестве этих элементов замедляется рост корней и снижается поглощение растениями питательных веществ. Уровень реакции почвенной среды - важнейший фактор изменений фосфатного и калийного режимов почв, подвижности микроэлементов и тяжёлых металлов. Усиление кислотности почв приводит к ухудшению фосфатного и калийного режимов, повышению подвижности тяжёлых металлов и токсичных органических веществ. При высокой кислотности не обеспечивается потребность растений в минеральных формах азота, кальция, магния, микроэлементах, ухудшается жизнедеятельность почвенных микроорганизмов (Тан-делов и др., 1997).
Среднестатистические значения рН колебалось в пределах от 5,8 до 6,2. По степени кислотности почвы хозяйств ОАО «Емельяновское» и агрофирмы «Маяк» характеризуются, как близкие к нейтральным, а почвы СПК «Берёзов-ское» как нейтральные (Бугаков, Чупрова, 1995)Наиболее высокое значение рН выявлено для СПК «Березовское», где рН варьировал от 6,09 до 6,25. Такое относительно высокое значение рН можно объяснить тем, что, во-первых, этот район подвержен сильному влиянию атмосферных выбросов ТЭЦ, в основном это зольные элементы, которые выпадают на пастбища и пашни этого района и способствуют подщелачиванию почвы.
