Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 10
1.1. Общие представления об эколого-биогеохимических аспектах микроэлементов 10
1.2. Роль микроэлементов в жизни растений, животных и человека 24
1.3. Обеспеченность микроэлементами пищевых продуктов растениеводства и животноводства 32
Глава II. Материалы и методы исследования 50
Глава III. Эколого-биогеохимическая характеристика основных компонентов агроэкосистем и экосистем прудов субрегиона Правобережья р.Волги Саратовской области 53
3.1. Экологические параметры климата, почв и воды субрегиона Правобережья 53
3.2. Содержание микроэлементов марганца, цинка, меди и кобальта в продукции растениеводства агроэкосистем Правобережья 56
3.3. Обеспеченность микроэлементами продуктов животноводства Правобережья р.Волги Саратовской области 59
3.4. Эколого-биогеохимическая характеристика основных компонентов водных экосистем прудов Правобережья р. Волги 62
Глава IV. Эколого-биогеохимическая характеристика основных компонентов пищевых цепей агроэкосистем и экосистем водоёмов субрегиона Левобережья р. Волги Саратовской области 75
4.1. Экологические параметры климата, почв и воды Заволжья 75
4.2. Содержание микроэлементов в растениеводческой продукции агроэкосистем Левобережья Саратовской области 80
4.3. Обеспеченность микроэлементами продуктов животного происхождения Саратовского Левобережья р. Волги 85
4.4. Эколого-биогеохимическая характеристика основных компонентов водных экосистем прудов Саратовского Заволжья 88
Заключение 96
Выводы 99
Список литературы 101
Приложение 115
- Общие представления об эколого-биогеохимических аспектах микроэлементов
- Материалы и методы исследования
- Экологические параметры климата, почв и воды субрегиона Правобережья
Введение к работе
Общеизвестно, что количество химических элементов в почве, в т. ч. микроэлементов и их сочетания между собой и с макроэлементами, наряду с показателями органики определяет не только плодородие почв, но и обеспеченность жизненно важными химическими элементами продуктов растениеводства и животноводства, т. е. пищи людей и кормов для животных, что предопределяет их физиологическое состояние или патологию (эндемические заболевания).
Проблема обеспеченности физиологически важными элементами, такимикак марганец, цинк, медь и кобальт продуктов питания населения и кормов для животных, биогенная миграция металлов в пищевых цепях экосистем и связь концентрации металлов в продуктах растениеводства и животноводства с уровнем их в почвах и воде в агроэкосистемах и грунтов, воде, фитозоопланктоне, бентосе, макрофитах и рыбе в гидроэкосистемах, изучение динамики элементов в органах и тканях рыб является одной из важных проблем современной экологии, так как от этих экологических параметров напрямую зависит здоровье людей и животных, населяющих конкретные регионы и субрегионы России и других стран.
При этом мы исходили из того, что ещё в пятидесятые-семидесятые годы двадцатого века Я. В. Пейве (1958 - 1961), В. В. Ковальский (1957 -1974), Р. Н. Одынец (1962); Г. А. Бабенко (1962); В. И. Воробьёв (1968, 1978, 1993) и многие другие исследователи доказали, что уровень обеспеченности человека и животных микроэлементами необходимо определять в конкретных эколого-биогеохимических условиях, учитывая влияние комплекса местных условий того или иного субрегиона (биогеохимической провинции) биосферы на состояние их здоровья и продуктивность. В условиях Саратовской области нам известны лишь фрагментарные работы по выяснению содержания отдельных микроэлементов (кобальт и йод) в почвах, растениях и крови животных, выполненных в шестидесятые - семидесятые
5 годы (Васюнин В. В., 1967; Бабин Я. А., 1967), которые выявили явления акобальтозов у овец Заволжья на почве дефицита кобальта.
Вполне обоснованно считать, что экологическая обстановка в Правобережных и Левобережных районах области за последние сорок-пятьдесят лет изменилась, т. к. гидростроительство на р. Волге, образование Саратовского «моря», широкие мелиоративные мероприятия, проводимые до девяностых годов на территории Левобережья, и до 50% заброшенных пахотных земель в последнее десятилетие двадцатого века, что продолжается и сегодня, наложили свой отпечаток на экологическую ситуацию территории Саратовской области и, как следствие, на содержание и динамику микроэлементов в почве, воде и пищевых продуктах растениеводства и животноводства изучаемых нами субрегионов биосферы Правобережья и Левобережья р. Волги Саратовской области, где проживает порядка трёх миллионов человек.
Для нормального развития и жизни человека и животных необходимы не только белки, жиры и углеводы, но и минеральные вещества. От недостатка или (избытка) тех или иных минеральных веществ в продуктах питания и воде у человека и животных возникают тяжёлые заболевания. Особенно восприимчивы к таким эндемическим заболеваниям дети и молодые высокопродуктивные животные.
В минеральном питании человека и сельскохозяйственных животных большое значение в последние десятилетия отводится микроэлементам, имеющим важное физиологическое значение для жизни организма: цинк, марганец, кобальт, медь, йод и ряд других.
Работами многочисленных исследователей академиков В. И. Вернадского (1927); А. П. Виноградова (1952 - 1962); Я. В. Пейве (1952 -1963); В. В. Ковальского (1957 - 1974); А. И. Войнара (1960); М. Я. Школьника (1974); В. И. Воробьёва (1968, 1979, 1993) и многих других установлена тесная связь микроэлементов с важнейшими активными биокатализаторами организма: витаминами, ферментами, гормонами, а также
нуклеиновыми кислотами, которые крайне необходимы для жизни человека и животных. Подобные исследования приостановились после семидесятых-восьмидесятых годов из-за того, что часть химических элементов, встречающихся в компонентах всех экосистем, стала попадать в них в больших количествах из-за выбросов промышленных предприятий. Стало наблюдаться явление, когда жизненно необходимые элементы, такие как цинк, медь, марганец и другие, выбрасывались промышленными предприятиями в биосферу в очень больших количествах и исследователи стали рассматривать их не как биостимуляторы роста и жизнедеятельности организмов, а как токсиканты, ибо количество металлов в ряде экосистем (особенно прилегающих к промышленным зонам) превышали ПДК в десятки, сотни, а иногда и в тысячи раз.
В связи с этим изучение физиологической и экологической роли целого ряда микроэлементов в жизни отдельных организмов и экосистемах как-то стало отходить на второй план, уступая место изучению проблемы токсикологии тяжёлых металлов. Однако экологическая и физиологическая значимость для организма целого ряда микроэлементов от этого не утратилась, ибо, например, биосинтез витамина Віг (кобаламина) невозможен без определённого количества кобальта, а для действия дегидрогеназ необходимо присутствие в пище оптимальных концентраций цинка и т. д.
Стоит также отметить, что значительное количество микроэлементов постоянно находится в организме человека и животных, а их экологическая и физиологическая роль так до конца и не изучены. Это касается, например, алюминия, который встречается в органах и тканях всех теплокровных животных и рыб в концентрациях, близких, а порой и превышающих количество железа.
Но какую функцию в организме и экосистемах выполняет алюминии, до сих пор не ясно. То же самое можно сказать и о других микроэлементах, роль которых в жизни растений и животных до сих пор не ясна, хотя в организме встречаются почти все элементы периодической системы Д. И.
7 Менделеева. Не выполнено до конца и биогеохимическое районирование и картирование многих областей России.
Актуальность
Мы в своей работе остановились на четырёх основных элементах: цинке, марганце, кобальте и меди, учитывая их важную биологическую роль в экосистемах и отдельных организмах растений, животных и человека, хотя иногда исследовали и другие элементы. При этом нас интересовал лишь уровень биогенной миграции металлов и аспект обеспеченности этими элементами отдельных (основных) компонентов экосистем двух различных субрегионов — Правобережья и Левобережья р. Волги на территории Саратовской области. Мы исходили из позиции системной экологии, что проблема регулирования содержания микроэлементов в пищевых продуктах может быть правильно решена только на основе принципов геохимической экологии (Ковальский В. В., 1974; Воробьёв В. И., 1993; Подколзин А. А., Гуревич К. Г., 2002; Абдурахманов Г. М., Зайцев И. В., 2004 и другие), которые устанавливают связь и зависимость геохимического состава основных компонентов экосистем человека и животных (их обеспеченность микроэлементами), от содержания элементов в конкретных субрегионах (биогеохимических провинциях) биосферы. Изучение вопросов биогеохимического районирования (деление биосферы на регионы и субрегионы) не только представляет естественно-исторический интерес, но и является важной основой развития краевой медицины, ветеринарии и зонального применения подкормок животных микроэлементами, внесение микроудобрений на поля и в пруды, нормализующие питание и повышающие продуктивность живых организмов. Научная новизна
Впервые в условиях Саратовской области на единой (эколого-биогеохимической) методологической и методической основе изучен уровень биогенной миграции четырёх физиологически важных для всех живых организмов микроэлементов в основных компонентах агросистем
8 (почвах, воде, продуктах растениеводства и животноводства), находящихся в эколого-биогеохимической обстановке Правобережья и Левобережья р. Волги. Впервые выяснен уровень биогенной миграции марганца, цинка, кобальта и меди в пищевых цепях водных экосистем, динамика элементов в органах и тканях рыб в зависимости от содержания элементов в исследуемых субрегионах и их экологии, что является дальнейшей разработкой идей академиков В. И. Вернадского (1927), А. П. Виноградова и В. В. Ковальского (1974), посвященных разработке парадигмы о принципах работы биосферы и её деления на регионы, субрегионы и экосистемы.
Цель и задачи исследования
Целью нашей работы было выяснение эколого-биогеохимической ситуации биогенной миграции микроэлементов (марганца, цинка и кобальта) в основных компонентах агроэкосистем и экосистем прудов двух субрегионов - Саратовского Правобережья и Левобережья р. Волги. Для достижения указанной цели, нами решались следующие конкретные экологические задачи:
Изучить эколого-биогеохимические параметры утилизации микроэлементов основными агро- и гидросистемах Правобережья и Заволжья р. Волги (климат, почвы, грунты, вода, фито- и зоопланктон, макрофиты, бентос, органы и ткани рыб, наземные растения и продукция сельскохозяйственных животных).
Исследовать связь между содержанием Mn, Zn, Си и Со в почвах и водах агросистем и утилизации в водах экосистем, и обеспеченностью микроэлементами растениеводческой и животноводческой продукцией, получаемой в экологических условиях Правобережья и Левобережья р. Волги Саратовской области.
Выяснить уровень биогенной миграции Mn, Zn, Си и Со в пищевых цепях прудов, органах и тканях карпа и белого амура из водоёмов субрегионов Саратовского Правобережья и Заволжья.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы заключается в том, что впервые в условиях Саратовской области на единой методологической (эколого-биогеохимической) основе изучена экология двух различных субрегионов (Правобережья и Левобережья р. Волги) и исследована динамика жизненно важных элементов в основных компонентах агроэкосистем и гидроэкосистем, в т. ч. продукция растениеводства, животноводства, рыбоводства и её обеспеченность микроэлементами.
Практическая значимость
1. В определении наиболее обогащенных и наименее обеспеченных
продуктов питания растительного и животного происхождения различными
жизненно важными элементами.
2. В предложениях дальнейшего изучения вопроса обогащения воды
Левобережных районов Саратовской области недостающими
микроэлементами, в частности кобальтом для населения и кормов, для
разводимых сельскохозяйственных животных.
3. В использовании полученных результатов для биогеохимического
районирования и картирования региона р. Волги по содержанию металлов в
основных компонентах экосистем и обучения студентов, при изучении ими
курсов экологии, гидробиологии, экологической физиологии, биохимии и
других биологических дисциплин.
Объём и структура диссертации
Диссертация, общим объёмом 132 страницы, состоит из введения, обзора литературы, описания методов и организации исследований, результатов исследований, их обсуждений, выводов и библиографического указателяувключающего 155 источников, из которых 34 иностранных. Работа иллюстрирована 7 таблицами и 8 рисунками, часть из которых помещена в приложении.
Общие представления об эколого-биогеохимических аспектах микроэлементов
Ещё совсем недавно считалось, что для нормального роста и развития растений, животных и человека вполне достаточно четырёх так называемых «органогенов», т. е. углерода, водорода, кислорода, азота и семи минеральных элементов: фосфора, калия, кальция, магния, натрия, серы и железа (Капланский С. Я., 1938).
Усовершенствование методов определения химических элементов привело в 50-е годы XX века к пересмотру учения о необходимых организмам элементах.
Как показали дальнейшие исследования, целая группа элементов, или, как их впоследствии назвали - микроэлементов, оказалась незамеченной и не была учтена исследователями. К ним относятся Со, Си, I, Mn, Zn, Mo, V, Ni и другие элементы, необходимые растениям и животным в очень малых количествах (Подколзин А. А., Гуревич К. Г., 2002).
В 20 - 30-е годы академик В. И. Вернадский (1926) создал учение о биогеохимии веществ.
Дальнейшему развитию правильных представлений о миграции микроэлементов в биосфере и их роли в жизнедеятельности человека, животных и растений способствовали фундаментальные работы акад. А. П. Виноградова (1936, 1952, 1957), В. В. Ковальского (1949, 1950, 1952, 1957, 1959, 1964, 1974), А. И. Войнара (1960), Я. В. Пейве (1952, 1958, 1961), М. А. Глазовской (1964, 1972, 1976, 1988, 1991, 2002), Р. Н. Одынец (1973), Н. А. Токовой (1962), М. А. Риш (1963), М. Я. Школьника (1974), В. И. Воробьёва (1968, 1978, 1979, 1993, 2003), Ю.А. Израэль (1984), Н. М. Матвеева и др. (1997), В. Н. Башкина (1996, 1997), Н. А. Протасова (1998), А. В. Скального (2000), А. В. Скального, И. А. Рудакова (2003), А. В. Скального (2004), Н. А. Цицина (2000), Г. М. Абдурахманова и И. В. Зайцева (2004).
Биогеохимическая концепция биосферы основывается на признании необходимым фактором её эволюции процессов биогенной миграции химических элементов. Они преобразуют земную кору и обсуждают возможность развития жизни (Вернадский В.И., 1954).
Биогенная миграция химических элементов в биосфере охватывается изучением биогеохимической пищевой цепи конкретного элемента. Она может иметь различное цифровое выражение для различных условий. Резерв химических элементов в последующих звеньях этой цепи постепенно уменьшается по мере перехода от пород к почвам и континентальным водам, к микроорганизмам, растениям, животным и человеку. Это общая закономерность. В ряде случаев некоторые звенья биогеохимической пищевой цепи приобретают способность концентрировать определенные элементы в связи с возникновением у организмов в процессе эволюции специфических функций, для которых необходимы данные элементы. В почвах химические элементы могут концентрироваться органическими веществами, образующимися в результате посмертных превращений организмов. Но не только этим определяется энергия и характер миграции химических элементов. Реакция поглощения атомов организмами присуща и микроорганизмам. Она хорошо может быть выражена и у растений, и у животных, и у человека, достигая в каждом случае высокоспецифичных форм. Большой интерес представляет поглощение химических элементов, регулируемое вне организма, например в почве, благодаря прижизненному выделению корневой системой веществ, образующих комплексные соединения с химическими элементами почвы.
Представление о биогенной миграции элементов усложняется необходимостью рассмотрения проблемы в аспекте геохимической мозаичности среды. Среда характеризуется значительными изменениями химического состава в зависимости от геохимической обстановки: одни территории обогащены определёнными химическими элементами, другие, наоборот, бедны. Недостаток или избыток в среде таких элементов, как кальций, магний, фосфор, железо, никель, кобальт, медь, цинк, стронций молибден, йод, фтор и некоторых других вызывают специфические реакции организмов: химическую изменчивость их состава, процессов обмена веществ, морфологические изменения, уродства, изменения воспроизводства, продуктивности, иммунобиологических свойств, эндемические болезни. Характер этих изменений зависит как от биологической природы, так и от концентрации в среде отдельных элементов, оказывающих на организм прямое действие путём включения в специфические звенья процессов обмена веществ в метоболитных путях, в процессах синтеза биологически активных соединений, и вторичное действие, неспецифическое, обусловленное первичными реакциями (Ковальский В. В., 1993; Воробьёв В.И., 1993).
Материалы и методы исследования
Экспедиции, сбор проб и их анализ проводили в 2002 - 2005 гг. в Саратовской области. Объектами исследований служили наземные и водные экологические системы Правобережья р. Волги и Левобережья (Заволжья) Саратовской области.
Экспедиции по изучению экосистем проводились в Ртищевском (ФХ Ртищевское) и Балашовском (ФХ Возрождение) районах Правобережья Саратовской области и Энгельсском (ФХ «Берег Волги»), Фёдоровском (ФХ Братство) и Новоузенском (ФХ Возрождение) районах Саратовского Заволжья. Выбраны были хозяйства, весьма удалённые от промышленных предприятий.
Растительные и почвенные образцы для анализа отбирали с использованием общепринятых методов (Петербургский А. В., 1974; Глазовская М. А., 1964, 2002; Алексеенко В. А., 1990).
Почвенные образцы отбирали сапёрной лопаткой методом прикопок (Практикум по агрономии, 1989). На каждой пробной площади в трёх равно удалённых друг от друга точках (вершины равнобедренного треугольника) из верхнего гумусного горизонта (0-10 см) и из других горизонтов брали почвенный образец массой до 1 кг, тщательно перемешивали и методом конверта отбирали среднюю пробу массой до 300 - 400 г.
Все три пробы ссыпали вместе, ещё раз перемешивали и так же методом конверта брали образец весом 500 г, который помещали в маркированные бумажные пакеты (Практикум по агрохимии, 1989; Алексеенко В. А., 1990). Номер пробной площади использовали для маркировки почвенных и растительных образцов.
Растительные образцы отбирали параллельно с почвенными на тех же пробных площадях. Это были основные сельскохозяйственные растения: пшеница, рожь, овёс, ячмень, кукуруза, горох, гречиха и т. п.
Для получения сравнительного материала растительные образцы отбирали в сухую погоду. Растения выкапывали с корнями из земли в разных достаточно удалённых друг от друга точках пробной площади. Отбирали по 5 - 40 экземпляров в зависимости от размера растений. Отбирали плоды растительной продукции (Алексеенко В. А., 1990).
Каждую пробу помещали в маркированные бумажные или полиэтиленовые пакеты. Маркировка растительных образцов была связана с номерами соответствующей пробной площади.
Кроме номера на этикетку наносили видовое название растения. Запись полностью дублировали в бланке полевых описаний, а затем в лабораторном журнале.
Почвенные и растительные образцы доставлялись в лабораторию в пакетах, в эксикаторах.
Подготовку образцов почв и растений для определения в них микроэлементов проводили традиционным методов (Практикум по агрохимии, 1989) с некоторыми модификациями, принятыми для использования нами метода элементарного анализа (атомно-абсорбционного) на спектрофотометре АА S - 1 (Прайс В., 1976).
Наземные части растений и их плоды освобождали от крупной пыли и частиц почвы. Образцы доводили до воздушно-сухого состояния. Средние образцы почвы растирали в ступке, отвешивали 2 г и хранили в пергаментных пакетах. Золу взвешивали до третьего знака, растирали и хранили в пакетах.
Во всех почвенных образцах определяли количество гумуса по Никитину и рН водной вытяжки с помощью иономеда Э 13-74 (Практикум по агрохимии, 1989).
В водных экосистемах пробы грунта брали трубой и затем разделяли на О - 5, 5 - 10, 10 - 15, 15 - 20, 20 - 30 см. На этих же станциях отбора проб брали образцы фито- и зоопланктона, бентоса (скребком) и макрофитов. Планктон собирался сеткой (ГАЗ 25/49). Бентос отбирали по методике Е. С. Шалапенюк, Т. И. Запольской (1988). Макрофиты - по В. М. Катанской (1981). Воду - по В. Я. Еременко (1969), Ю. А. Привезенцеву (1973) и Н. С. Строганову (1980).
Рыбу отлавливали с помощью сетей.
Продукцию животноводства отбирали в хозяйствах на убойных пунктах, сельских рынках и птичниках (птицефабриках).
Подготовку проб и анализ на присутствие в них металлов проводили аналогично выше изложенному (взвешивали, высушивали, озоляли и хранили до анализа в пергаментных пакетах в эксикаторах).
Всего было собрано и проанализировано почв, грунтов - 2852, воды -58, продукции растениеводства - 1920, продукции животноводства - 743, планктона - 86, бентоса - 84, макрофитов - 44, органов и тканей различных видов рыб-416.
Экологические параметры климата, почв и воды субрегиона Правобережья
Западная часть территории Саратовской области, Правобережье расположено по правую сторону р. Волги, на Приволжской возвышенности между 42ЗГ - 4823 восточной долготы от Гринвича и 5031 - 5240 северной широты. Эта часть области имеет протяженность с северо-востока на юго-запад по реке Волге (по прямой) на 230 км. Общая площадь Правобережья 46373 км2.
Правобережье имеет высоты более 150 м. Формирование приволжских возвышенностей относится, по-видимому, к нижнетретичному периоду и обязано поднятием территории после спада нижнетретичного моря. После третичного моря Правобережье не покрывалось морем.
По данным гидрометеослужбы климат Саратовской области относится к континентальным умеренных широт, при чём на её территории происходит изменение свойств как морского полярного, так и отчасти арктического воздуха.
Климат Правобережья более мягкий, чем Левобережья (Заволжья) р. Волги, отличающийся более высокими температурами в весенне-летний период и низкими в осенне-зимний сезон, частыми засухами.
Среднее количество осадков в летний период на Правобережье колеблется от 310 до 400мм, за зиму выпадает 100-180 мм осадков и более. Преобладающими почвами здесь являются чернозёмы, выщелочные и типичные среднегумусные.среднемощные тяжёлого механического состава.
Средняя мощность их гумусного горизонта 40 - 55см, содержание гумуса в пахотном горизонте 7,4 - 7,6 % (Природа, 1992).
Доля солонцеватых и засоленных почв невелика. Преобладающий механический состав почв - глинистый, тяжело- и среднесуглинистыи. Почв лёгкого механического состава немного.
Для южных районов Правобережья характерны чернозёмы южные и тёмно-каштановые почвы, которые в своём большинстве маломощные и карбонатные.
Мощность гумусного горизонта 30 — 45см. Возрастает доля солонцеватых и засоленных почв. На севере Правобережья р. Волги встречаются серые лесные почвы (приложение 1а).
Следует сказать, что от содержания гумуса в почве зависит уровень аккумуляции в ней тяжёлых металлов (Прохорова, 1996). В почвах Саратовской области преобладают гуминовые кислоты, связывающие тяжёлые металлы в крупные комплексы, в связи с чем снижается их поступление в вегетативные и генеративные органы растений.
Однако в области, как и во всей России, начиная с 1990 года отмечается резкое снижение гумусированности почвы, а дефицит баланса питательных веществ в связи с недостаточностью внесения органических и минеральных удобрений достигал в 1991 - 1992 гг. 52кг/га (Овчаренко, 1994).
Начиная с 1991 по 1995 гг.. ежегодные невосстанавливаемые потери гумуса на пахотных землях составляли 0,45 т/га. По данным управления статистики области, в 1990 и 1994 гг. в пахотные угодья внесено соответственно 2,4 и 0,7 т/га, а в последние годы - ещё меньше.
Содержание важнейших питательных элементов в почвенном покрове, изучаемых нами районов Правобережья (до 1980 - 1984гг.), составляло (кг/га): азота от 163 до 1096 (среднее - 480), фосфора от 308 до 1978 (среднее -610), калия от 379 до 3051 (среднее - 820), а ежегодный вынос с урожая в норме составляет (кг/га): азота - 59, фосфора - 20, калия -39 (Почвы, 1985; Матвеев и др. 1997).
Анализируя сложившуюся эколого-биогеохимическую ситуацию, нетрудно сделать выводы о том, что вместе с резким снижением внесения удобрений уменьшилось внесение в почвы микроэлементов, что ведёт к нарушению баланса элементов, к снижению плодородия почв, вызываякатастрофические изменения в биогеохимических циклах.
