Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
1.1 Тяжелые металлы, их биологическая роль 9
1.2 Техногенные источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду 13
1.3 Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях 16
1.4 Влияние техногенного загрязнения окружающей среды индустриально развитыми городами на уровень накопления тяжелых металлов в почвах и растениях 22
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 27
3. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 32
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 40
4.1 Валовое содержание тяжелых металлов в почвах г.Павлодара40
4.2 Содержание форм соединений тяжелых металлов в почвах г. Павлодара 57
4.3 Содержание тяжелых металлов в овощных культурах г.Павлодара 79
ВЫВОДЫ 88
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 89
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 90
ПРИЛОЖЕНИЯ 103
- Тяжелые металлы, их биологическая роль
- ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
- ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ
Введение к работе
Урбоэкосистемы - это особые по своим свойствам и малоизученные биологические системы, которые занимают 1,5 % площади земного шара. Предполагалось, что к 2005 году более 50% мирового населения будет проживать в городах [1]. В Казахстане в городах и населенных пунктах проживает 56,6% населения (более 14862,5 тыс. человек) [2].
Загрязнение почв, растений и вод тяжелыми металлами в крупных городах и их окрестностях стало одной из наиболее актуальных экологических проблем. Концентрация населения, промышленных производств и транспорта породили ряд типично городских проблем, связанных прежде всего с качеством жизни и экологическим состоянием городов.
Более того, эта проблема в связи с громадным ростом масштабов человеческой деятельности перестала быть только городской, превратившись в проблему общепланетарного масштаба.
С учетом того, что не менее Ул общего объема загрязнений, поступающих в окружающую среду, первоначально «производится» в городах и связанной с ними инфраструктуре, не трудно представить себе, какими мощными центрами загрязнения биосферы они выступают.
Город представляет собой модель крайне неустойчивой и уязвимой системы, утратившей способность к самовосстановлению, т.е. неспособной противостоять негативным экологическим факторам. Глобальные изменения природной среды (аридизация, парниковый эффект, загрязнение, кислотные дожди, деградация почв и растительности) наблюдаются, прежде всего, на урбанизированных территориях. Степень экологического риска возрастает для всех компонентов урбоэкосистем: воздуха, растительности, почвы, воды [3].
По сравнению с зональными почвами урбаноземы характеризуются нарушенностью генетических горизонтов, уплотнением, более щелочной
реакцией среды, значительным снижением буферности и гумусированности, обогащены элементами питания [4].
Попадающие в атмосферу загрязняющие вещества выпадают на почвенно-растительный покров, как на территории города, так и на прилегающий к нему пригород, загрязняя последние многими химическими веществами, составляющими целый блок токсичных, канцерогенных и мутагенных химических элементов, включая и тяжелые металлы. Следует иметь в виду и тот факт, что в черте г. Павлодара находится свыше 60,3 тыс. садовых участков и сотни огородов частных домовладений, где сосредоточено производство овощей, картофеля, фруктово-ягодных культур.
Практическое отсутствие данных о содержании тяжелых металлов в системе почва-растение на территории г. Павлодара делает их весьма актуальными. Актуальность данных исследований подтверждена и Декларацией МОП, принятой на 15 Международном конгрессе почвоведов (г. Акапулько, Мексика) в 1994 г., согласно которой к числу приоритетных направлений отнесено изучение экологической обстановки на городских территориях.
Цель работы - эколого-геохимическая оценка валовых и подвижных форм соединений тяжелых металлов в почвах и санитарно-гигиеническая оценка овощных культур, выращенных на территории г. Павлодар.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие основные задачи исследования:
исследовать валовое содержание тяжелых металлов (Си, Zn, Cd, Pb, Cr, Mn, Co, Mo, Be, Ni, Sr, Hg, V) в почвах;
определить содержание подвижных форм соединений тяжелых металлов в почвах;
составить карты-схемы валового содержания и форм соединений тяжелых металлов в почвенном покрове;
определить содержание тяжелых металлов в овощных культурах, выращиваемых на огородах и дачных участках;
дать санитарно-гигиеническую оценку качества растительной продукции.
Научная новизна работы.
Впервые проведено определение содержания валовых и подвижных форм соединений тяжелых металлов в почвах на территории г. Павлодара. Выявлено, что загрязнение почв г. Павлодара носит полиметальный характер и распределяется по территории г. Павлодара мозаично, образуя очаги в зависимости от источников выбросов. Приоритетными загрязнителями почв города являются стронций, ртуть, кадмий, свинец и молибден.
Впервые проведено картирование почвенного покрова по валовому содержанию и формам соединения тяжелых металлов в почвах.
Установлено содержание тяжелых металлов в овощных культурах, выращенных на исследуемой территории. Оценено эколого-гигиеническое состояние овощей, выращенных в городской черте. Овощные культуры, выращиваемые на садовых участках, прилегающих к территории промышленных предприятий г. Павлодара, накапливают цинк, медь, свинец, кадмий в количествах, превышающих допустимые остаточные концентрации (ДОК).
Теоретическая и практическая значимость.
Выявление уровня загрязнения валовыми и подвижными формами тяжелых металлов в почвах г. Павлодара, а также оценка санитарно-гигиенического состояния овощей, выращенных в городской черте, имеет большое значение для дальнейшего экологического мониторинга почвенного и растительного покрова и возможных мероприятий по охране и рекультивации нарушенных земель.
Карты-схемы валового содержания и форм соединений тяжелых металлов в почвенном покрове найдут применение при эколого-биогеохимической оценке исследуемого района.
Результаты работы использованы в учебном процессе при проведении занятий для студентов специальностей: Экология, Биология, Химия и биология по дисциплинам «Химическая экология», «Геохимия окружающей среды», «Охрана окружающей среды» Павлодарского государственного педагогического института и Семипалатинского государственного педагогического института.
Апробация работы.
Результаты исследований, изложенные в диссертации, представлены и обсуждены на следующих научных собраниях: на международной научно-практической конференции «Химия: наука, образование, промышленность. Возможности и перспективы развития» (Павлодар, 2001 г.), на научной конференции молодых ученных, студентов и школьников «1-е Сатпаевские чтения» (Павлодар, 2001 г.), на III и IV Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004 г., 2006 г.), на V Международной биогеохимической школе "Актуальные проблемы геохимической экологии» (Семипалатинск, 2005 г.), а также на ежегодных внутривузовских конференциях для преподавателей и студентов Павлодарского государственного педагогического института (Павлодар, 2004-2006гт.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликованы следующие статьи и тезисы:
Шаймарданова Б.Х. Влияние антропогенного фактора на биологические объекты и химический состав почв / Б.Х. Шаймарданова, Ж.К. Шоманова, Г.С. Ажаев, Э.А. Гельдымамедова // Сборник материалов симпозиума «Новые информационные технологии в решении проблем производства, строительства, коммунального хозяйства, экологии, образования, управления и права» - Пенза, 2001. - С. 103-105
Панин М.С. Техногенное влияние на содержание тяжелых металлов в почвах г. Павлодара / М.С. Панин, Э.А. Гельдымамедова, Г.С.
Ажаев II Материалы международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» - Москва, 2004. - С. 333-335
3. Панин М.С. Содержание подвижных форм соединений
химических элементов в почвах г. Павлодара / М.С. Панин, Э.А.
Гельдымамедова// Материалы III международной научно-практической
конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в
окружающей среде». - Семипалатинск, 2004. - С.555-563
4. Панин М.С. Медь и цинк в почвах г. Павлодара / М.С. Панин, Э.А.
Гельдымамедова, Г.С. Ажаев // Материалы Международной научной
конференции «Экология и биология почв». - Ростов-на-Дону, 2005. -
С.385-388.
5. Панин М.С. Тяжелые металлы в огородных культурах г.
Павлодара / М.С. Панин, Э.А. Гельдьшамедова // "Актуальные проблемы
геохимической экологии» Материалы V Международной
биогеохимической школы, Семипалатинский государственный
педагогический институт, 8-11 сентября, 2005 г. - Семипалатинск, 2005. -
С. 388-392.
6. Панин М.С. Свинец в почвах и овощных культурах г. Павлодара /
М.С. Панин, Э.А. Гельдымамедова // Вестник СГУ, Семипалатинск - №1,
2006.-С. 55-62.
Панин М.С. Медь и цинк в почвах и овощных культурах г. Павлодар / М.С.Панин, Э.А. Гельдымамедова // Вестник ПГУ. Серия химико-биологическая - №1,2006. - С. 42-50.
Панин М.С. Никель в почвах г. Павлодара / М.С. Панин, Э.А. Гельдымамедова // Вестник ПГУ. Серия химико-биологическая - №1, 2006.-С. 114-120.
Панин М.С. Эколого-геохимическая характеристика почв г. Павлодар Республики Казахстан / М.С. Панин, Э.А.Гельдымамедова // Вестник ТГУ., №292,2006 - С. 171-177.
Гельдымамедова Э.А. Бериллий в почвах г. Павлодар // Доклады IV Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы
и радионуклиды в окружающей среде». - Семипалатинск, 2006. - С. 159-164.
Гельдымамедова Э.А. Хром в почвах г. Павлодар // Доклады IV Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде». - Семипалатинск, 2006. - С. 453-459.
Гельдымамедова Э.А. Медь, цинк, свинец, кадмий в почвах г. Павлодара // Ползуновский вестник, Изд-во Алтайский государственный технический университет, №4,4.2,2006 г. - С. 65-74
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы (145 источников, в том числе 13 иностранных). Материал изложен на 142 страницах, включает 41 таблицу и 19 рисунков.
Основные положения, выносимые на защиту.
Загрязнение почв г. Павлодара носит полиметалльный и мозаичный характер и определяется содержанием тяжелых металлов в выбросах промышленных предприятий, объектов теплоснабжения и автомобильного транспорта.
Загрязнение огородных культур наблюдается в пределах техногенных геохимических аномалий. Уровень загрязнения товарной части овощных культур зависит от защитных возможностей растений.
Реализация результатов исследования.
Полученные в результате исследования данные переданы для использования в Павлодарское областное территориальное управление охраны окружающей среды.
Благодарности.
Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю - профессору, доктору биологических наук М.С. Панину за всестороннюю поддержку в организации и проведении исследований. Автор приносит благодарность профессору, доктору биологических наук Ж.К. Шаймарданову за ценные советы и помощь при оформлении работы.
Тяжелые металлы, их биологическая роль
Химическое воздействие человека на биосферу в настоящее время носит глобальный характер, в связи с чем весьма актуальным стали вопросы локального, регионального и глобального загрязнения биосферы многими токсичными при высокой концентрации веществами, в том числе тяжелыми металлами. Все возрастающий "металлический пресс" на биосферу становится, таким образом, постоянно действующим экологическим фактором.
Тяжелые металлы - это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40. Появление в литературе термина "тяжелые металлы" было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и их опасности для живых организмов. В группу "тяжелых" вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широких спектр биологического действия некоторых неопровержимо доказаны [5 11].
Функции живого организма нераздельно связаны с химизмом земной коры и должны изучаться в тесной связи с последним [12-15, 119-120]. По мнению АЛ. Виноградова (1957), количественное содержание того или иного элемента в организме определяется его концентрацией во внешней среде, а также свойствами самого элемента, с учетом его соединений. Обобщив огромный фактический материал, он пришел к выводу, что химический состав организма есть признак - видовой, родовой и др., то есть наряду с анатомическими и физиологическими различиями таксонам присуще и своеобразие химического состава [13,102-103].
Невозможно говорить об уровнях содержания различных химических элементов без понимания их роли в физиологических процессах, происходящих в организмах. В.И. Вернадский предполагал, что все химические элементы, постоянно присутствующие в клетках и тканях организмов, играют определенную физиологическую роль [104].
Химические элементы по содержанию в живых организмах разделяются на макро- и микроэлементы. Контраст в содержании элементов этих двух групп, по мнению разных авторов, составляет от двух до десяти математических порядков. Для живых организмов нет "вредных" и "полезных" элементов, есть токсичные (аномально высокие или низкие) их концентрации в среде обитания. Микроэлементы в основном это металлы переходных групп периодической системы химических элементов с атомной массой больше 50, атомы которых обладают сложноустроенными электронными оболочками. Роль переходных металлов в организме сводится к образованию комплексов, способных координировать с белками и небольшими органическими молекулами благодаря легкости изменения спиновых состояний с разной степенью окисления [105-106]. Специфика биологической роли различных металлов в ряде случаев может выступать как экологический фактор. Без выделения этого фактора пока трудно обойтись, анализируя закономерности содержания ТМ в живых организмах [29,105,107-108].
Биологическая роль Си и Zn выявлена довольно давно [109-112]. Zn участвует в процессах роста, размножения, развития и формирования генеративных органов у растений, в процессах биосинтеза хлорофилла [18, 111,113]. В настоящее время идентифицировано более двадцати цинксодержащих и цинкактивируемых ферментов. Из исследуемых нами элементов Zn считают наименее токсичным для гидробионтов [114]. Си необходима всем живым организмам для нормального обмена. Она участвует в процессах тканевого дыхания у растений, активно влияет на рост, развитие и воспроизводство. Участвует в окислительно-восстановительных процессах дыхания в составе оксидаз и в фотосинтезе в электрон-транспортной цепи в составе пластоциана. Ферменты содержащие Си обладают высокой активностью и находятся в организмах в очень низких концентрациях. Кроме того, Си является сильным биоцидом, содержание ее в живых организмах строго регулируется [ПО, 112,114-115].
Сг является обязательным элементом питания, в клетках растений он участвует в синтезе белков, повышает продуктивность фотосинтеза и содержание хлорофилла в клетках [116-117]. Он присутствует в малых количествах в ДНК некоторых организмов. Отсутствие Сг, в живых организмах, кроме ДНК и никотиновой кислоты, вероятно, вызвано низкой устойчивостью их комплексов с протеинами [114]. Несмотря на биологическую потребность в Сг, высокие концентрации его токсичны [115].
Объекты и методы исследований
Почвенные исследования проводились на всей территории города Павлодара. Одновременно с пробами почв осуществлялся отбор образцов овощных растений.
Для удобства анализа полученных результатов и, учитывая опыт предыдущих исследователей [31, 37, 67, 72], территория города условно разделена нами на четыре зоны: северная (промышленная), восточная (промышленная), центральная (селитебная) и северный пригород (с. Мичурино, с. Зангар) (рис. 1).
Отбор проб почвы проводились в 2001-2002 году в различных районах города и его промышленных зонах (северной и восточной) согласно стандартным методическим рекомендациям [21]. В пределах города пробы почв отбирали с частотой 1 проба на 1 кв. км. и пробы в зонах влияния крупных предприятий и объектов теплоснабжения. На территориях, прилегающих к наиболее крупным продуцентам атмосферных выбросов - алюминиевый, нефтеперерабатывающих, химический и другие заводы отбор проб проводился по 8 румбам на расстояниях 500м, 1км, 5 км, 10 км, 15 км от источников загрязнения, где точкой отсчета расстояния служили трубы предприятия. Пробы почв также отбирались на землях садово-дачных кооперативов и приусадебных участках, расположенных в городской черте. Средняя проба формировалась из двадцати образцов путем смешивания в равных весовых соотношениях и характеризировала территорию 3-4 дачных участков и огородов площадью 0,1-0,2 га. Образцы отбирали с глубины 0-10 см. Отобрано и проанализировано 610 проб почвы.
Фоновые пробы были взяты в 80 км от города в противоположную сторону от розы ветров.
Карта отбора проб почв представлена на рисунке 2.
Для определения валового содержания тяжелых металлов почвенные пробы подвергались полному разложению концентрированными кислотами. Валовое содержание тяжелых металлов определяли методом атомной абсорбции на спектрофотометре фирмы Perkin Elmer модель 403 с электротермическим анализатором HGA-74 и дейтериевым корректором фона.
Определялись следующие формы соединений тяжелых металлов в почвах: форма, переходящая в водную вытяжку (экстрагент Н20), обменная (0,1 М, Са(Ж з)2), слабо специфически сорбированная (3 %, СНзСООН), обменная (ААБ, рН 4,8), кислоторастворимая (1 н. р-р НС1).
Соотношение почвагэкстрагент составляло 1:10. Пробы встряхивались на ротаторе в течение 1 часа, затем отфильтровывались, и в надосадочной жидкости определялось содержание элементов фотоколориметрическим химическим дитизоновым методом Г.Я. Ринькиса [73-74,144-145].
Определение физико-химических свойств почв проводили в соответствии с общепринятыми методами исследований [75]: рН водной вытяжки - потенциометрическим методом, содержание гумуса - по методу Тюрина, механический состав почв - по методу Качинского. Буферность почв по отношению к тяжелым металлам оценивали согласно градации, разработанной В.Б. Ильиным [76].
Овощные культуры отбирались на дачных и огородных участках, расположенных в черте города и в его пригороде.
Отбор проб овощных культур проводился по общепринятым методикам [21]. Растительные пробы озоляли при 450С с последующим растворением в разбавленной НС1 (1:1).
Содержание тяжелых металлов в употребляемых в пищу органах огородных культур - плодах томата, огурцов, кочанах капусты, корнеплодах свеклы и моркови, луковицах репчатого лука, клубнях картофеля определяли атомно-абсорбционным методом (Perkin Elmer). Выбор свеклы был основан на ее способности накапливать относительно высокое количество тяжелых металлов, в связи с этим возможности использовать ее в качестве своеобразного растения-индикатора почвенного загрязнения. Выбор картофеля обусловлен повсеместным его возделыванием и значительной долей в рационе питания населения города. Было проанализировано 134 пробы.
Характеристика района исследования
Павлодар является центром, образующим Павлодар-Экибастузский территориально-производственный комплекс. Южнее и юго-западнее Павлодара находятся крупные промышленные центры Павлодарской области г.г. Аксу и Экибастуз. Они располагаются на основных направлениях переноса воздушных масс и поэтому не исключена вероятность их воздействия на Павлодар.
С точки зрения территориального распределения, можно выявить два крупных промышленных узла - это Павлодар-Аксуский и Экибастузский в которых сосредоточено до 94% выпуска всей промышленной продукции. Специализация первого - электроэнергетика, химическая и нефтехимическая промышленность, черная и цветная металлургия, машиностроение. В нем производится 52% всей продукции области. Во втором - превалирует угольная промышленность и электроэнергетика.
Город Павлодар - многопрофильный промышленный центр. Общая площадь его составляет 326882 га (0,3 тыс.км), население - 300,0 тыс. человек. На период исследования в городе зарегистрировано 87 промышленных предприятий. К наиболее крупным промышленным предприятиям относятся алюминиевый, машиностроительный, картонно-рубероидный, химический, нефтехимический, судостроительно-судоремонтный, инструментальный, тракторный, резинотехнический заводы, завод металлоконструкций и электромонтажных изделий и др. (рис. 3). Кроме того, на территории города расположены ЗТЭЦ, более 20 котельных и 5751 единиц частного домостроения, которыми в год сжигается в общей сложности более 3,5 млн. т угля. В черте г. Павлодара находится свыше 60,3 тыс. садовых участков и сотни огородов частных домовладений, где сосредоточено производство овощей, картофеля, фруктово-ягодных культур.
Выбросы предприятиями загрязняющих веществ в атмосферу г. Павлодара в 2001 году составили 114,1 тыс., в 2002 году - 131,8 тыс. тонн (табл. 11). Еще 13,1 тыс. т поступает в нее с выхлопными газами автотранспорта (42231 единиц).
Исследования снеговых проб подтвердили неравномерность пылевого загрязнения атмосферного воздуха по г. Павлодару. Значения пылевой нагрузки колебались от 3,9 до 152,9 кг/м2 при среднем значении 32,7 кг/м (т.е. колебания достигают 450% от среднего). Восточная и северная промышленные зоны г. Павлодара характеризуются высоким уровнем запыленности и естественным притоком химических элементов с атмосферной пылью [81] (рис. 4).
Установлено, что с пылью снежный покров на территории г. Павлодара загрязняется 21 химическим элементом. Приоритетными загрязнителями снегового покрова города согласно нашим исследованиям являются ртуть, кадмий, свинец, стронций, бериллий, ванадий, молибден, никель (табл. 12-13).
Город Павлодар расположен по правую сторону р.Иртыш в пределах Прииртышской впадины, представляющей юго-восточную окраину Западно-Сибирской низменности.
Город Павлодар расположен в поясе каштановых почв, которые встречаются в основном однородными участками. Почвы сформировались в условиях засушливого климата, под сухостепнои растительностью. Растительный покров представлен ковыльно-типчаковыми ассоциациями, с участием рогача песчаного, тимофеевки степной, полыни холодной. Почвообразующими породами служат незасоленные древнеаллювиальные супеси (рис. 5). Грунтовые воды в основном пресные, реже -слабоминерализованные, которые залегают на глубине 2,72-8,12 м и на почвообразовательный процесс влияния не оказывают.
Похожие диссертации на Тяжелые металлы в почвах и овощных культурах г. Павлодара Республики Казахстан
