Содержание к диссертации
Введение
1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЕТОКСИКАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА -РАСТЕНИЕ - ЖИВОТНОЕ - ПРОДУКТ ПИТАНИЯ ЧЕЛОВЕКА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 20
1.1. Агротехнические и агрохимические мероприятия по ограничению миграции ТМ из почвы в растения. 20
1.2. Способы снижения аккумуляции ТМ в организме животных.. 30
1.3. Пути уменьшения содержания ТМ в продуктах питания. 43
1.3.1. Влияние технологии приготовления пищи на изменение содержания ТМ в продуктах питания 43
1.3.2. Пищевые добавки, способствующие уменьшению аккумуляции ТМ в организме человека 46
1.4. Анализ литературного обзора 51
2. ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 61
2.1. Материал и методика экспериментальных работ в звене системы почва-растение. 63
2.1.1. Методика полевых опытов. 63
2.1.2. Методы аналитических исследований. 70
2.2. Материал и методика исследований в подсистеме растение (корм) - животное 71
2.2.1. Методика физиологических опытов на птице 71
2.2.2. Методы аналитических и биохимических исследований.. 79
2.3. Методика научных исследований, проводимых в подсистеме животное-продукт питания. 81
2.3.1. Постановка экспериментов 81
2.3.2. Методы аналитических и биохимических исследований. 87
2.4. Методы статистической обработки экспериментальных данных. 89
3. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ДЕТОКСИКАЦИИ ТМ В ПОДСИС ТЕМЕ ПОЧВА - РАСТЕНИЕ (РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ). 91
3.1. Влияние доз свинца, кадмия и детоксиканта на величину урожая и развитие растений 91
3.2. Влияние доз свинца, кадмия и детоксиканта на концентрацию тяжелых металлов в опытных культурах. 94
3.3. Влияние доз свинца, кадмия и детоксиканта на концентрацию подвижных форм ТМ в почвах 99
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕТОКСИКАЦИИ ТМ В ПОДСИСТЕМЕ РАСТЕНИЕ (КОРМ) - ЖИВОТНОЕ (ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЫТЫ НА ПТИЦЕ). 104
4.1. Влияние различных детоксикантов на аккумуляцию свинца в организме птицы 104
4.1.1. Динамика выведения свинца детоксикантами . 104
4.1.2. Влияние детоксикантов ТМ на белковый обмен птицы... 112
4.1.3. Изменения углеводного и минерального обмена птицы при использовании детоксикантов ТМ 115
4:1.4. Выбор дозировки гуминового препарата для получения экологичного мяса цыплят - бройлеров 121
4.1.5. Гематологические показатели цыплят-бройлеров при введении в рацион гуминового препарата 126
4.2. Выведение ТМ селенсодержащими препаратами из организма птицы. 128
4.2.1. Изменение содержания ТМ в организме птицы при использовании соединений селена 128
4.2.2. Гематологические показатели птицы на фоне интоксикации ТМ и при использовании селеновых детоксикантов 134
4.3. Снижение аккумуляции токсикантов в организме птицы при использовании пробиотиков 143
4.3.1. Влияние пробиотиков на живую массу и содержание ТМ в организме цыплят 143
4.3.2. Исследование биохимических показателей сыворотки крови птиц при использовании пробиотиков на фоне интоксикации ТМ. 154
5. ОБОСНОВАНИЕ ДЕТОКСИКАЦИИ ТМ В ПОДСИСТЕМЕ ЖИВОТНОЕ (СЫРЬЕ ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ) - ПРОДУКТ ПИТАНИЯ (РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ) 162
5.1. Влияние термической обработки на снижение концентрации тяжёлых металлов в мясе птицы. 162
5.2. Пищевая ценность и качество мяса цыплят-бройлеров, выращенных в экологически неблагоприятных условиях 168
5.3. Экспериментальное обоснование использования природных полисахаридов в мясных продуктах лечебно-профилактического назначения 178
6. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕТОКСИКАНТОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В: СИСТЕМЕ ПОЧВА - РАСТЕНИЕ - ЖИВОТНОЕ-ПРОДУКТ ПИТАНИЯ ЧЕЛОВЕКА 195
6.1. Классификация детоксикантов ТМ, ограничивающих их миграцию в почве 195
6.2. Классификация детоксикантов ТМ, используемых в подсистеме растение (корм) - животное 203
6.3. Систематизация пищевых добавок, эффективных в экологически неблагоприятных регионах. 210
7. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕТОКСИКАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕПИ (Обсуждение результатов исследований) 213
7.1. Закономерности поведения ТМ в почвах, их поступления в растения и детоксикации 213
7.2. Закономерности поведения ТМ в подсистеме растение (корм) - животное и уменьшение их миграции 224
7.3. Закономерности процессов уменьшения содержания ТМ в пищевых продуктах 255
7.4. Разработка концепции детоксикации ТМ в системе почва -растение-животное-продукт питания человека. 272
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 279
ВЫВОДЫ. 284
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ. 287
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 289
ПРИЛОЖЕНИЕ 344
- Агротехнические и агрохимические мероприятия по ограничению миграции ТМ из почвы в растения.
- Влияние доз свинца, кадмия и детоксиканта на величину урожая и развитие растений
- Динамика выведения свинца детоксикантами
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из наиболее значимых в биосфере факторов антропогенного происхождения является загрязнение различных сред. Количественные показатели содержания химических элементов в экосистеме могут служить характеристикой ее со-стояния[287,148]. Степень воздействия загрязняющих веществ на экосистему в значительной степени зависит от формы нахождения химических элементов, определяющей токсичность, биодоступность, миграционную способность их соединений. В свою очередь, форма нахождения химических загрязняющих веществ в экосистеме определяется параметрами состояния (физическими, физико-химическими, физико-географическими, температурой, давлением и ДР-)[225].
Цепи и сети питания с экологической точки зрения являются важными параметрами экосистем, поскольку они позволяют описать перенос вещества и энергии, а также превращения в кругообороте аутотрофных и гетеротрофных популяций. Кроме того, они являются основой для подбора моделей, на базе которых можно оценить стабильность и регенеративные возможности загрязненной вредными веществами системы[48-53,56-58,159,465].
Антропогенные загрязняющие вещества - токсиканты включаются в миграционные процессы и оказывают негативное влияние на биотическую составляющую природной среды. Их интенсивное поступление влечет за собой исчезновение популяций организмов и даже целых видов, что обычно оказывается первым этапом глубокой перестройки и последующей необратимой деградации экосистем 60,321,322].
К загрязнителям химической природы относят в том числе тяжёлые металлы (ТМ) и другие экотоксиканты. Помимо отрицательного воздействия на качество продукции растениеводства и животноводства, они наносит значительный ущерб здоровью человека.
Выделенные решением Европейской экономической комиссии ООН в группу наиболее опасных (приоритетных для целей наблюдения, контроля и регулирования) ТМ включены: ртуть, свинец, кадмий, хром, марганец, никель, кобальт, ванадий, медь, железо, цинк, олово, мышьяк [25,63,317].
В составе комплексов с биомолекулами они участвуют во многих жизненно важных процессах и реакциях. Однако индивидуальная потребность организмов в ТМ очень мала, а поступление из внешней среды избыточных количеств этих элементов приводит к различным токсическим эффектам. Особенно опасными оказываются металлы, не входящие в состав биомолекул, т.е. ксенобиотики: ртуть, кадмий и свинец. По механизму токсического действия ТМ являются метаболическими ядами, участвующими в различных энзимных процессах путем взаимодействия с SH-группами белков[5,61,125].
Прогрессирующее накопление ТМ в биосфере создает фатальную угрозу для живых организмов. В ходе эволюции были выработаны механизмы предотвращения токсического эффекта ТМ. Но при современных уровнях поступления этих элементов такие механизмы уже не могут достаточно надежно защищать живые организмы [463,464,297].
В отличие от органических загрязняющих веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь перераспределяться между природными средами. Судя по литературным данным, число примеров токсического действия металлов, входящих в состав продуктов или отходов промышленности, увеличивается с каждым годом[253,294].
Воздействие на человека повышенных концентраций ТМ сопровождается накоплением их в организме. Причем это накопление происходит и при содержании металлов в природных средах гораздо ниже ПДК[112,113,174,380-382,551,553,554].
Промышленные предприятия (металлургии, машиностроения, энергетики), сконцентрированные в большинстве крупных городов, служат основными загрязнителями атмосферы и гидросферы, почв и растений вредными веществами в количествах, превышающих санитарно-гигиенические нормативы (ПДК, ОДК, ДОК и т.д.). Большой экологический ущерб наносят также автотранспорт, свалки. Поэтому защита окружающей среды и пищевой цепи от загрязнения тяжелыми металлами является актуальной экологической проблемой. Важность данной проблемы для производства и переработки сельскохозяйственной продукции заключается в том, что накопление тяжелых металлов в возделываемых культурах может стать причиной контаминации продуктов питания[216,290,319].
Ухудшение экологической обстановки во многих регионах привело к росту заболеваемости населения. В частности, в Новосибирской области возросла смерность и на 25% выросла общая заболе-ваемость[308,393,111,143,301,315,357].
Государственная политика в области здорового питания предусматривает обеспечение безопасности пищевых продуктов и продовольственного сырья путём максимального сохранения пищевой ценности и качества производимых продуктов за счёт применения современных технологий и оборудования, исключающих возможности бактериального, химического и физического загрязнения; осуществления наблюдения за объектами окружающей среды (почва, вода, воздух); создания современной аналитической базы контроля качества и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов. [337,31,137,178,334,427].
Проблема разработки технологии производства экологически безопасной продукции животноводства и растениеводства не является однозначной, так как экологическая безопасность по многим своим характеристикам и параметрам определяется общим состоянием экологии среды, которая тесно связана с состоянием экологии региона, страны [93,102,195].
В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству продовольственного сырья и пищевых продуктов основную опасность в питании человека представляет содержание в продуктах питания загрязнителей химической и биологической природы, которые поступают из окружающей среды[43,73,82,115,117,331].
В зависимости от степени загрязнения окружающей среды, экотоксиканты могут приводить к экологическому напряжению или к экологическому кризису среды, в результате чего нарушается весь цикл производства экологически безопасной продукции. Начальным элементом этой цепи является техногенная деятельность человека, затем почва, которая аккумулирует в себе экотоксиканты. Далее они могут мигрировать в растения (корма), затем в организм животных и, в конечном итоге, накапливаться в продукции животноводст-ва[2,299,320].
Почвы являются одним из первых звеньев в биогеохимической пищевой цепи и начальным этапом миграции тяжелых металлов в системе: почва-растение-животное-продукт питания. Поэтому, при экологических исследованиях изучению способности почв инактиви-ровать поступающие в них подвижные формы тяжелых металлов и приемов и методов контроля потока токсикантов из почвы в растения уделяется особое внимание[182-187,109,161,262,289].
Сегодня применяют агротехнические приемы, направленные на снижение подвижности данных элементов (ТМ) в почве и, следовательно, на уменьшение их поступления в растения. К таким агрохимическим мероприятиям относят известкование, внесение органических удобрений, повышение емкости катионного обмена, которые способствуют формированию малорастворимых соединений ТМ. В результате чего снижается их подвижность и естественная миграция по профилю почвы и снижение содержания в продукции растениеводства , 149,277,468].
Следующим звеном в производстве экологически безопасной продукции животноводства является предотвращение перехода токсикантов из кормов в организм животных, и, следовательно, в продукцию животноводства. Определенную перспективу в этом аспекте имеет применение препаратов, которые обладают сорбционными, ионообменными и биологически активными свойствами. Они способствуют эвакуации металлов через ЖКТ, повышают иммунологическую сопротивляемость и биологическую защиту организма [414,432].
В профилактике неблагоприятного воздействия ТМ ведущая роль отводится использованию детоксицирующих препаратов. В последнее время участились публикации о применении различных де-токсикантов в сельском хозяйстве, с целью повышения экологической чистоты продукции[36,37,65-72,77,172]. Эта проблема требует дальнейшего и более детального изучения. Сегодня актуальна разработка новых препаратов как растительного, так и минерального происхождения, уменьшающих концентрацию тяжелых металлов в организме.
Научный и практический интерес представляют исследования по изучению влияния гуминовых веществ на организм и продуктив ность животных. Актуальность более глубокого изучения веществ гу-миновой природы базируется на анализе литературных данных, свидетельствующих о высоком потенциале действия гуминовых соединений связывать тяжелые металлы[12,99,104,129,169,220,312]. Влияние различных детоксикантов на остаточное содержание ТМ в организме цыплят-бройлеров остается пока малоизученным. Поэтому исследования в этой области являются актуальными.
В последние годы в России резко ухудшилась ситуация с качеством и безопасностью продовольственного сырья и пищевых продуктов. По данным Госсанэпиднадзора России до 10% проб исследованных пищевых продуктов содержали ТМ и половина из них - в дозах, превышающих предельно допустимые (ПДК)[17,28,115,282,324].
Таким образом, обоснование механизма детоксикации тяжёлых металлов в подсистеме «животное сырье - продукт питания» является актуальным. На наш взгляд, с одной стороны, необходимо изучать, как изменяется содержание ТМ в процессе термической обработки, с другой стороны, создавать рецептуры продуктов, понижающих усвоение данных элементов. Эта цель может быть достигнута путём добавления в рецептуры мясопродуктов веществ, обладающих деток-сицирующимисвойствами[32-34,54,74,85,236].
Для получения экологически безопасной продукции сельского хозяйства все звенья цепи должны контролироваться на наличие (уровень содержания) экотоксикантов с целью выработки адекватных мер по их элиминации или снижению степени их миграции по данной цепи, токсического воздействия на организм и содержание их в продукции, то есть с целью разработки индивидуальной технологии направленного воздействия на ликвидацию или блокирование действия экотоксиканта по цепи его миграции [60,175].
В связи с этим, для обеспечения химической безопасности продукции, производимой в АПК должна разрабатываться комплексная система наблюдений, оценки и прогноза антропогенных и техногенных воздействий, т.е. экологический мониторинг и методы детоксикации[60,175].
Объектом исследования является процесс и механизмы деток-сикации тяжелых металлов в системе почва-растение-животное-продукт питания человека. Предмет исследования:
Закономерности и взаимосвязи, отражающие процесс и механизм детоксикации тяжелых металлов в системе почва-растение-животное-продукт питания человека.
Цель исследований..- выявление закономерностей детоксикации тяжелых металлов (свинца и кадмия) в системе почва - растение - животное - продукт питания человека при различной антропогенной нагрузке.
Задачи исследований:
1. Изучить изменения концентрации подвижной формы тяжелых металлов в почве при разных уровнях ее загрязнения и различных дозах гуминового детоксиканта и рассчитать коэффициенты перехода тяжелых металлов из почвы в растения при разных уровнях ее загрязнения и дозах детоксиканта.
2. Выявить наиболее эффективный детоксикант для снижения содержания свинца в мясе птицы и установить его оптимальную концентрацию для получения экологически безопасной продукции. Исследовать влияние селеносодержащих препаратов на аккумуляцию тяжелых металлов в организме сельскохозяйственной птицы. Установить влияние пробиотиков (молочно-кислой добавки (МКД) и Кюссейн ЭМ АгроОбь) на усвоение организмом птицы свинца и кадмия.
3. Изучить гематологические показатели цыплят-бройлеров на фоне повышенного содержания тяжелых металлов в рационе и применения детоксикантов; селенсодержащих препаратов. Определить некоторые параметры метаболизма птицы (выявить наличие или отсутствие нарушений углеводного, белкового, минерального обмена) при введении пробиотиков и интоксикации тяжелыми металлами.
4. Выявить изменения концентрации ТМ в продукте при термической обработке мяса в зависимости от времени варки.
5. Установить способность природных полисахаридов как компонента продукта уменьшать аккумуляцию ТМ в организме лабораторных животных. Определить уровень фактического содержания ТМ в мясном сырье (цыплята-бройлеры) и продуктах переработки; исследовать гематологические и биохимические показатели опытных животных в ходе эксперимента.
6. Провести анализ используемых методов снижения концентрации ТМ в системе почва-растение-животное-продукт питания.
7. Оценить закономерности ограничения миграции ТМ в экологической цепи.
8. Обосновать механизмы процесса детоксикации ТМ в системе почва-растение-животное-продукт питания.
Научная новизна. Впервые разработана научно обоснованная система ограничения накопления ТМ в различных звеньях экологической цепи, важную роль в которой играют форма токсичного соединения и химическая структура детоксиканта.
Выявлены связи по переходу металлов из одного звена системы в другое. Сформированы новые представления о способах детоксикации ТМ в экологической цепи.
Определены наиболее эффективные методы детоксикации ТМ в экологической цепи.
Установлены закономерности процесса детоксикации ТМ в системе почва - растение - животное - продукт питания человека и объяснены механизмы процессов детоксикации ТМ.
На основании комплексных исследований показано, что препарат Рекультиватор (на основе гуминовых кислот) обладает детокси-цирующей способностью по отношению к свинцу и кадмию в агробио-ценозе.
Впервые проведено комплексное исследование изменения концентрации свинца и кадмия в мышечной и костной ткани на фоне интоксикации ТМ при применении различных детоксикантов: гуминовых кислот и их солей, селеновых препаратов, пробиотиков, полисахаридов растительного происхождения.
Получены новые данные о зависимости изменения концентрации тяжёлых металлов в ходе термической обработки мяса птицы от времени варки.
Предложена классификация детоксикантов ТМ в системе почва - растение (корм) - животное, схема процесса детоксикации ТМ в изучаемой системе.
На основе собственных экспериментальных исследований сформулированы научные принципы и разработана концепция детоксикации антропогенных загрязнителей (ТМ) в системе почва - растение - животное - продукт питания человека, способствующие производству экологичных продуктов питания.
Новизна технических решений подтверждена 2 патентами на изобретение.
Практическая значимость работы. Научно обоснованы способы детоксикации ТМ в системе почва - растение - животное - продукт питания.
Разработаны количественные оценки процесса детоксикации ТМ в системе почва - растение (корм) - животное - продукт питания человека.
Выявлены наиболее перспективные детоксиканты - гумадапт и активированный уголь с сульфатом магния, снижающие содержание свинца в мышечной ткани цыплят-бройлеров на 40,6 - 76,8%. Для получения экологически безопасной продукции птицеводства в рацион необходимо включать гуминовый препарат гумадапт в количестве 50 мг/кг живой массы птицы. Установлено, что селенсодержащие препараты и пробиотики могут использоваться как детоксиканты ТМ в птицеводстве.
Разработанная классификация детоксикантов ТМ и механизмы процесса детоксикации позволяют прогнозировать эффективность детоксиканта по его химической структуре.
Результаты исследований создают возможность для прогноза изменения концентрации ТМ в экологической цепи и позволяют разработать технологии получения экологически безопасных продуктов питания.
Материалы диссертации используются в учебном процессе высших учебных заведений при подготовке специалистов: зооинже-неров, ветеринарных врачей, агрономов, агроэкологов, технологов по производству пищевых продуктов (разработано учебное пособие с грифом УМО «Основы экологической химии»). Разработаны методические рекомендации по использованию детоксикантов. Защищаемые положения:
1. Дозы детоксиканта уменьшают подвижность ТМ в почвах и их концентрацию в кормовых культурах.
Гуминовые препараты, селенсодержащие соединения и пробиотики уменьшают аккумуляцию и токсическое действие свинца и кад мия в организме птицы, что является физиолого-биохимическим обоснованием их использования в качестве детоксикантов ТМ.
3. Природные полисахариды (альгинат натрия, пектин, каррагинан) в составе продуктов переработки мяса птицы уменьшают содержание ТМ в организме, поэтому рекомендуется их использование для получения экологически безопасных продуктов питания.
4. Классификация детоксикантов ТМ в экологической цепи должна учитывать их происхождение, что позволяет оценить их химическую природу и потенциальную эффективность.
5. На основании знания химических свойств ТМ и детоксиканта можно прогнозировать ограничение накопления токсикоэлементов в системе почва - растение - животное - продукт питания.
Апробация работы. Основные положения и материалы исследований доложены и обсуждены на 2-й научно-практической конференции факультета ветеринарной медицины (НГАУ, 1999); на научно-практической конференции с международным участием «Природные минералы на службе здоровья человека» (Новосибирск, 1999,2001); 3-ей Южно-Сибирской региональной научной конференции «Экология Южной Сибири» (Абакан, 1999); на научно-практической конференции молодых ученых «Обеспечение ветеринарного благополучия животных с учетом технологии животноводства» (Барнаул, 2000); на 1-3 международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы -биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2000, 2002, 2004); на научной конференции «Сибирская аграрная наука III тысячелетия» (Новосибирск,2000); на научно-практической конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2000); на 1-4 международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество.» ( Новосибирск, 2001, 2002, 2003, 2004); на научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке» (С- Петербург,2001); «Современные проблемы ветеринарной диетологии и нутрициологии» (С-Петербург,2001); научно-практической конференции «Внедрение ресурсосберегающих технологий в сельскохозяйственном производстве» (Новокузнецк,2001,2002); на международной научно-практической конференции «Пищевая промышленность на рубеже веков» (Алматы,2001); 1 международной научной конференции «Селекция, ветеринарная генетика и экология» (Новоси- бирск,2001); на 3, 5 Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение АПК Сибири, Монголии, Казахстана» (Новосибирск, 2000,2002); международной научно-практической конференции «Высокоэффективные технологии нового поколения в производстве экологически безопасных продуктов питания и биопрепаратов для населения» (Новосибирск,2002); на международной научно- практической конференции «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск,2003); 4-й российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва,2003); на 2 Российской научно- практической конференции «Актуальные проблемы инноваций с нетрадиционными растительными ресурсами и создания функциональных продуктов» (Москва,2003); на 7-ом Всероссийском конгрессе «Здоровое питание населения России» (Москва,2003); 4 и 5-й Международной научно-технической конференции «Пи- ща.Экология.Человек.» (Москва, 2001, 2003); на международной конференции «Биоэлементы» (Оренбург,2004); Ученых советах ГНУ СибНИПТИП (2000-2004).
По теме диссертации опубликовано 63 печатные работы, в том числе 2 патента на способ выведения свинца, учебное пособие с грифом УМО, монография.
Личный вклад автора. Представленная работа является обобщением научных исследований, проведённых автором лично, а также в качестве научного руководителя, соруководителя и ответственного исполнителя в период с 1998 по 2004 гг. Автор лично принимал участие в постановке задач исследований, руководстве и проведении этих работ, обработке, систематизации экспериментальных данных, анализе и интерпретации полученных результатов.
Диссертация изложена на 3 листах машинописного текста, содержит 71 таблицу, 41 рисунок и приложение. Список литературы включает 606 наименований, в том числе 138 на иностранных языках. Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту доктору биологических наук, профессору К.Я. Мотовилову и коллективу ГНУ СибНИПТИП, сотрудникам отдела экологии, аспирантам за помощь в выполнении работы. Особую благодарность кандидату биологических наук Сысо А.И. (ИПА СО РАН), кандидату биологических наук Бочкаревой И.И. (ЦГСЭН в НСО), кандидату технических наук Инербаевой А.Т., аспиранту Смолякову А.В. (ГНУ СибНИПТИП) за неоценимый вклад в реализацию данных исследований.
Агротехнические и агрохимические мероприятия по ограничению миграции ТМ из почвы в растения
Восстановление плодородия загрязненных почв - одна из наиболее сложных проблем охраны агробиоценозов. Надежных конкретных рекомендаций по снижению поступления ТМ из загрязненных почв до настоящего времени не разработано. Анализ опытных данных показал, что наиболее существенное значение имеет реакция среды, действие которой часто повышает даже типовое различие почв. Повышение почвенной кислотности усиливает подвижность форм ТМ и их транслокацию в растениях.
В исследованиях Овчаренко М.М., Графская Г.А. при загрязнении почвы смесью ТМ (кадмий, цинк, свинец) сравнивали эффективность действия четырех возрастающих доз известкового мелиоранта (карбонат кальция), цеолита Сокирницкого, навоза и их различных сочетаний на снижение поступления ТМ в корнеплоды моркови и столовой свеклы. Дозы мелиорантов были одинаковы -6,75; 20; 25; 40,5 т/га. Растительную продукцию, соответствующую санитарно-гигиеническим нормам, получили на произвесткованной дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве только при слабом загрязнении кадмием (1 мг/кг почвы) [306].
Известкование снижало поступление цинка в корнеплоды в 4,2-7,7 раза, но только при внесении высоких доз карбоната кальция (25 т/га) удалось уменьшить это поступление до экологически безопасного. Внесение максимальной дозы извести (40 т/га) снижало содержа ниє свинца в биомассе моркови настолько, что оно не превышало ПДК даже на высоком уровне загрязнения. На загрязненной дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве при выращивании корнеплодов под влиянием 10 т/га карбоната кальция полностью снижается фитотоксический эффект от избытка ТМ. Однако, для того, чтобы вырастить экологически безопасную продукцию, необходимы повышенные дозы известковых удобрений.
Важное место в детоксикации ТМ отводится органическим удобрениям. При их внесении в загрязненную почву уменьшается подвижность ТМ вследствие образования органно-минеральных соединений, обладающих низкой растворимостью. Применение их повышенных норм может привести к избыточному накоплению нитратов, что неблагоприятно с ветеринарных и санитарно-гигиенических позиций. В опытах Овчаренко М.М. сравнение эффективности одинаково возрастающих доз извести, цеолита, навоза и их сочетаний при загрязнении дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы смесью кадмия, цинка, свинца показало, что известкование оказалось единственным действенным фактором, уменьшающим поглощение ТМ растениями[307].
Кадмий, ртуть и свинец практически невозможно изъять из почвы, накапливаясь в ней, они, различными путями попадают в организм человека. Отсюда следует, что основной путь снижения содержания ТМ в растительной продукции - разработка совершенных технологических приемов снижения их подвижности в почве. Трудности решения данной проблемы состоят в том, что агротехнические мероприятия - известкование, внесение органических удобрений, повышение гумусированности почв и емкости катионного обмена вызывает накопление в почве металлов в форме малорастворимых соеди нений, в результате чего уменьшается их подвижность и естественная миграция по профилю почвы.
Периодическое известкование легкосуглинистой дерново-подзолистой почвы, независимо от способов ее основной обработки, понизило концентрацию свинца в клубнях картофеля на 20-60%, кадмия в 1,5-3 раза по сравнению с неизвесткованной почвой. Снижение кислотности почвы за счет известкования позволяет в 1,5-2 раза уменьшить содержание свинца и кадмия в зерне озимой пшеницы [468,253].
По данным Ю.В. Алексеева (1987), известкование загрязненной хромом почвы не снижало концентрацию в растениях его 6-валентной, наиболее токсичной, формы, а количество 3-валентной формы увеличивало.
В случае загрязнения почвы молибденом, мышьяком, селеном известкование противопоказано, необходимо подкисление. Однако практические разработки на этот счет пока отсутствуют [149].
Л. Файтонджиев, изучая разные дозы извести на сильнокислой светло-серой лесной почве Болгарии, показал их большую эффективность для снижения содержания свинца в люцерне. Уже при нейтрализации обменной кислотности в почве возрос рН. Это положительно отразилось на урожае: сухая масса увеличилась почти на 60%, количество свинца в сене люцерны уменьшилось в 4 раза[426].
В связи с тем, что для большинства сельскохозяйственных культур и почвенных микроорганизмов, благоприятной считается реакция среды от слабокислой до нейтральной (рН 6-7), по-видимому, не всегда внесение извести до полной гидролитической кислотности будет целесообразным 49].
Влияние доз свинца, кадмия и детоксиканта на величину урожая и развитие растений
Таким образом, в результате полевых и лабораторных исследований, статистической обработки экспериментальных данных было проведено комплексное изучение и оценка закономерностей функционирования системы почва-растение, в условиях повышенных доз тяжелых металлов и применения детоксиканта.
В полевых мелкоделяночных опытах установлены уровни фактического содержания тяжелых металлов в растениях и почвах. Установлено, что почвы обладают высокой буферной способностью по отношению к свинцу, они способны переводить его в необменную форму в количестве, превышающем 100 мг/кг почвы. Буферная способность почв по отношению к кадмию невелика.
Определено, что наиболее опасными тяжелым металлом является кадмий. Внесение свинца и кадмия в почву в дозах равных ПДК, не привело к избыточному накоплению в вегетативных органах растений. Избыток кадмия в растениях отмечался только при концентрации его равной 4 мг/кг почвы.
На основании данных, полученных в условиях 2001 года, можно предполагать, что для овса и люцерны, возделываемых на черноземах Приобья, экологически безопасными можно считать концентрации свинца до 600 мг/кг, а кадмия до 3 мг/кг почвы.
Рассчитанные коэффициенты перехода свинца и кадмия из почвы в растения указывают о низком усвоении опытными культурами подвижной формы тяжелых металлов.
Детоксикант «Рекультиватор» на основе торфа и гуминовых препаратов является весьма эффективным против избытка тяжелых металлов в почве. Наличие большого числа функциональных групп гуминовых кислот в детоксиканте приводит к реакциям комплексооб-разования с металлами. Образующиеся металлоорганические комплексы тяжелых металлов являются или малоподвижными или неспособными к преодолению клеточных мембран на контакте почва -корень.
Полученные уравнения регрессии позволяют рассчитать дозы детоксиканта, обеспечивающие повышение урожая опытных культур на почвах с разным уровнем загрязнения тяжелыми металлами до уровня незагрязненных почв. Эти дозы находятся в пределах (мг/кг почвы): для овса - 60-100; для люцерны - 67-180.
Динамика выведения свинца детоксикантами
В связи с тем, что корма, используемые на птицефабрике, получены из техногенных и экологически неблагоприятных регионов, появилась необходимость в поиске веществ, являющихся детоксикантами, и способными нейтрализовать действие свинца и осуществить выведение его из организма.
Вещества - детоксиканты должны отвечать ряду требований: не должны иметь побочных эффектов, быть дешевыми и доступными, самое главное, эффективно уменьшать в организме содержание ток-сикоэлемента.
Для испытания в качестве детоксикантов были использованы: ЭДТА с глюкозой, активированный уголь после фильтрации раствора сульфата магния, корень пиона и препарат "Гумадапт". Дозы их скармливания представлены в методической части.
Как было отмечено в схеме опыта, все группы цыплят получали одинаковое количество ионов свинца в виде 10%-го раствора ацетата per os ежедневно.
Содержание свинца в органах и тканях является основным критерием определения экологической безопасности. Отложение в организме и различие в накоплении его в отдельных органах и тканях связано как с химическим действием металла, так и с биологическими особенностями птицы.
В постэмбриональный период увеличивается содержание большинства микроэлементов в теле: повышается минерализация костей при одновременном замедлении интенсивности метаболических процессов в костной ткани; возрастает потребление макро- и микроэлементов на единицу прироста при снижении уровня отложения их в организме; стабилизируются показатели минерального состава крови. Поэтому изучение уровня накопления свинца в органах и тканях птицы под влиянием детоксикантов и регуляционная роль костной ткани в перераспределении аккумулируемого организмом металла может явиться основой использования детоксикантов.
В таблице представлено содержание свинца в мышечной ткани цыплят на фоне применения различных детоксикантов. Уровень выведения свинца из организма менялся существенно, что естественно отразилось на уровне его отложения. Через одну неделю от начала опыта содержание свинца в мышечной ткани птицы, получавшей гумадапт (2-я группа), снизилось по сравнению с 1-й группой (не получавшей детоксиканты) на 1,88 мг ил и на 30%; в 3-й опытной группе, получавшей ЭДТА с глюкозой - снизилось на 1,46 мг (на 23,4%); в 4-й опытной группе, получавшей корень пиона - на 0,17 мг (на 2,7%); в 5-й группе, получавшей активированный уголь на 0,18 мг (на 2,9%). Во 2-й и 3-й группах различия достоверны (Р 0,05).
Через две недели от начала эксперимента содержание свинца в мышечной ткани было ниже во 2-й группе птицы - на 2,62 мг (на 64,7%), в 3-й - на 1,6 мг (на 39,5%), в 4-й - не снизилось, в 5-й - снизилось на 1,82 мг (на 44,9 %). Уже через две недели содержание свинца во 2-й опытной труппе достоверно не отличалось от контроля.
