Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 7
ГЛАВА 2. Материалы и методы 61
ГЛАВА 3. Фторидныи статус почв республики Карелия 72
3.1. Особенности почвообразовательного процесса в Карелии 73
3.2. Содержание фтора в почвах отдельных районов 99
3.3. Распределение фтора в почвах различного типа 103
ГЛАВА 4. Фторидныи статус природных вод и донных отложений республики Карелия 157
4.1. Содержание фторид-иона в крупных озерах и реках бассейнов балтийского и белого морей .161
4.2. Содержание фторид-иона в малых озерах и ламбах 175
4.3. Содержание фторид-иона в донных отложениях озер .186
4.4. Оценка фторидного статуса в воде и донных отложениях водоемов 194
4.5. Содержание фторид-иона в подземных водах 195
4.6. Оценка фторидного статуса водоисточников различного типа 201
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 204
ВЫВОДЫ 213
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 215
- Особенности почвообразовательного процесса в Карелии
- Распределение фтора в почвах различного типа
- Содержание фторид-иона в крупных озерах и реках бассейнов балтийского и белого морей
Введение к работе
В органах животных и человека ни один биохимический и физиологический процесс не совершается без участия микроэлементов. Микроэлементы являются непременными участниками биохимических процессов - стимулируют и нормализуют обмен веществ, повышают защитные свойства организма, влияют на кроветворение, рост, репродуктивную функцию и др. Качественную особенность микроэлементов определяет способность микроэлементов вступать во взаимодействие с белками организма и образовывать с ними металлоорганические комплексы. Микроэлементы входят в структуру регуляторов биохимических процессов (ферменты, гормоны, витамины), которые действуют как катализаторы этих процессов, являясь важными факторами внутриклеточных обменных процессов [4, 115, 144, 158, 222, 226, 240, 243].
При оценке состояния здоровья населения наряду с антропогенными факторами большое значение имеет влияние природных факторов окружающей среды. Эпидемиологическое значение имеет не только повышение уровня вредных факторов окружающей среды, но и отсутствие, недостаточность содержания некоторых микроэлементов, в том числе фтора в воде, почве, продуктах питания [57, 84, 152, 157, 163, 182,273, 278].
Развитие болезней на Севере имеет определенную специфику, связанную с климатогеографическими особенностями окружающей среды, светового и температурного режима в сочетании с особенностями питания, недостаточным или повышенным поступлением с пищей и питьевой водой микроэлементов, в частности, фтора [25, 173, 228, 278].
Фтор является важным эколого-геохимическим элементом, влияющим на здоровье населения и животных. Это обусловлено тем, что он входит в состав твердых тканей организма (95-99% общего количества элемента в организме) и в значительной мере определяет их прочность. При этом недостаточное поступление фтора в организм приводит к развитию одного из наиболее массовых заболеваний населения Земли — гипофторозу, тогда
как его избыток - к флюорозу [2, 18, 44, 51, 138, 144, 150, 158, 160, 161]. Таким образом, оптимальное содержание фтора, поступающего в организм человека и животных представляет собой глобальную экологическую проблему, практическое решение которой в медицине и агропромышленной отрасли исключительно велико [85,201,218,258].
Основным источником поступления фтора в организм человека и животных является питьевая вода из которой он усваивается на 90-97% [26, 34, 44, 144, 171, 181, 199, 258, 272]. В свою очередь поступление фтора в водные источники многофакторно. При этом основное значение имеет содержание фтора в почве, содержание и растворимость которого определяют уровень его поступления в растительность и почвенно-грунтовые воды [85, 104, 106,179,210, 272].
Всемирной организацией здравоохранения установлены нормативы содержания в питьевой воде - 0,7-1,2 мг/л, ПДК - 1,5 мг/л, недостаточные концентрации - ниже 0,6мг/л. МЗ СССР установлено ПДК водорастворимого фтора в почве - 10 мг/кг [26, 85, 170, 210,267].
Вода и почва являются важнейшими компонентами любой наземной экосистемы и представляют собой активный комплекс субкомпонентов, участвующих в процессах метаболизма и энергетического обмена в биогеоценозе [9, 194, 270]. Несмотря на важность проблемы изучения содержания фтора в окружающей среде, по Республике Карелия не проводилось комплексного изучения естественно-природного (фонового) содержания фтора в компонентах наземного биогеоценоза - в почвах и водах, и не установлено его среднее содержание в природных объектах. Отсутствие данных по фторидному статусу Республики Карелия (РК) не позволяет оценивать состояние здоровья населения в связи с фактором поступления фтора в биологические организмы.
Цель исследования
Определить содержание фтора в почвах и водах Республики Карелия для оценки фторидного статуса биогеоценозов.
Задачи исследования
Изучить содержание фтора в почвах различного типа.
Изучить содержание валового и водорастворимого фтора в генетических горизонтах почв различного типа.
' 3. Изучить содержание фтора в водах рек, озер, минеральных и подземных источниках.
Установить закономерности содержания фтора в водных объектах Балтийского и Беломорского бассейнов.
Изучить содержание фтора в донных отложениях.
Положения, выносимые на защиту
Содержание фтора различное в различных типах почв и зависит от почвообразующей породы.
Содержание фтора в воде рек и озер различается и не имеет прямой зависимости от содержания в почве.
Карелия может быть отнесена к биогеохимической провинции по фтору.
Научная новизна работы
1. Впервые проведено комплексное изучение фторидного статуса почв
и вод - экосистем территории Карелии.
а) установлено среднее содержание фтора в почвах РК.
б) установлено среднее содержание фтора в водных объектах РК.
2. Обосновано отнесение РК к биогеохимической провинции по фтору.
Практическая ценность работы
Выявление низкого содержания фтора в почвах и водах РК позволяет отнести Республику Карелия к биогеохимической провинции по фтору, что предполагает возможность использования фторидного статуса экосистем в оценке показателей состояния здоровья населения РК, в разработке программ по улучшению качества жизни населения.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзном межвузовском совещании «Микроэлементы и естественная радиоактивность», г.Петрозаводск (1965г.); VI медико-биологической конференции, г.Петрозаводск (1970г.); VIII и IX сессиях Ученого Совета АН СССР «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера», г.Петрозаводск (1968, 1974 г.г.); VIII Всесоюзной конференции «Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине», г.Ивано-Франковск (1978г.); межвузовской конференции «Биологические проблемы Севера», г.Сыктывкар (1981г.); экологических чтениях, посвященных 100 летию со дня рождения профессора М.А.Тойкка, г.Петрозаводск (2003г.)
По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ.
Объем и структура диссертации.
Работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, 2-х глав исследования фторидного статуса почв и вод, заключения, выводов, списка литературы.
Диссертация проиллюстрирована 87 таблицами и 32 рисунками.
Список литературы содержит 403 источника, из них 278 отечественных и 125 зарубежных.
Диссертация изложена на 214 страницах машинописного текста.
Особенности почвообразовательного процесса в Карелии
Исследуемые нами почвы находятся на территории Республики Карелия в северном регионе России [234].
Республика Карелия расположена на северо-западе европейской части СССР, между 6639 и 604Г с.ш. и 2918 и 3757 в.д. граничит с Финляндией, Ленинградской, Вологодской, Мурманской, Архангельской областями. Северо-восточная часть республики омывается Белым морем. Пло-щадь республики составляет 172,4 тыс. км [145]. Протяженность с севера на юг 672 км, а ширина ее в районе г. Кемь немного больше 300 км [139].
Карелия относится к северо-западной Кольско-Карельской почвенно-географической провинции, входит в состав северо-западной геоморфологической провинции [234]. Основными чертами этих провинций являются выдержанность ориентировки крупных орографических элементов и очень широкое развитие денудационных форм рельефа. Большую роль в создании современного рельефа Карелии играли процессы ледниковой аккумуляции, в результате которых образовались всхолмленные моренные равнины, озы, камы, зандровые равнины [54, 145]. Следы четвертичного оледенения выражены в рельефе весьма отчетливо: помимо аккумулятивных ледниковых форм, широко распространены формы ледникового выпахивания [234].
Территория Карелии входит в состав Русской платформы - крупного участка земной коры в восточной части Европы, охватывающего всю область Русской равнины и Кольского полуострова, Финляндию, Швецию и значительную часть Польши и Дании, и состоящей из древнего докембрийского складчатого кристаллического основания, где самым обширным выходом его на поверхность является Балтийский щит [176, 177, 178].
В Карелии развиты геологические образования четырех групп: архейской, протерозойской, палеозойской и кайнозойской, представленные гранитами 1 группы (магматические образования); гранитами 2 группы (основные и ультраосновные породы, микроклиновые граниты); осадочными и вулканическими породами (3 группа), сопровождающиеся интрузиями основных, ультраосновных пород и гранитов; песчаными мета-морфированными осадками с внедрением гранитов (рапакиви) и основных пород (габбро - диабазов) - 4 группа [120, 121, 145, 139,234,254].
В течение всей истории земного шара непрерывно продолжаются процессы выветривания и миграции. Скорость выветривания отдельных групп массивно-кристаллических горных пород неодинаковая (ультраосновные и основные породы разрушаются быстрее, чем кислые). На территории Карелии в течение палеозоя, мезозоя, третичного периода кайнозоя шли процессы выветривания пород докембрия [231-234,236].
Современный рельеф Карелии оформился в четвертичный период. В основном поверхность Карелии покрыта четвертичными отложениями, являющимися продуктами выветривания горных пород докембрия, в них отражается в той или иной степени химический состав соответствующих горных пород кристаллического фундамента. Лишь отдельными участками на поверхности выступают горные породы докембрия [139, 145]. Из четвертичных отложений наиболее древними являются мезоплейсто-ценовые, но они нигде не выходят на земную поверхность и залегают под нижней мореной в виде глинистых песков, супесей, мелких и крупнозернистых железистых песков - флювиогляциальных (ледниково-речных) и озерно-ледниковых отложений, которые непосредственно залегают на кристаллических породах [139, 234, 238, 271, 278]. Ледниковые отложения в виде нижней морены также обнаружены только бурением и представлены в виде валунов [139, 234, 278]. Межморенные отложения чаще всего состоят из глин, реже - из супесей, суглинков и песков морского и озерного происхождения [139, 278]. Верхняя морена отложена последним ледником, и после его стаивания льды уже не покрывали территории Карелии.
По литологическому составу Карелия представлена несортированными валунными песками и супесями, реже - суглинкам [234]. Мощность отложений колеблется от 0 до 20 м в северной части Карелии; до 40 - 50 м в южных и юго-восточных районах республики [139,278].
Почвообразование в Карелии связано с четвертичными отложениями, которые являются почвообразующими породами, а также с массивно-кристаллическими породами, подвергающимися выветриванию. На последних можно наблюдать начальные стадии почвообразования [234].
Из отдельных почвообразующих пород реже всего в Карелии встречаются глины, чаще - суглинки и супеси, наиболее часто встречаются пески. Валунные пылеватые супеси имеют распространение от озера Среднего Куйто узкой полосой до реки Онды и дальше на юго-запад (Кале-вальский и Муезерский районы), где они встречаются наиболее часто. Основные породообразующие минералы - кварц и калиевые полевые шпаты [87, 237, 278].
Минералогический состав представленных в Карелии пород не способствует активному выветриванию: они богаты кварцем, вулканическим стеклом, калиевыми полевыми шпатами, плагиоклазами, т.е. минералами замыкающими ряд устойчивости минералов к вывеет-риванию - ряд Голдича [66]. Калиевые полевые шпаты рассматриваются как минералы абсолютно устойчивые к внутрипочвенному выветриванию в условиях слабокислой среды [215].
В процессе выветривания на территории Карелии возникли рыхлые моренные отложения. Продукты выветривания переносились с места залегания соответствующих горных пород кристаллического щита на расстояния до сотен километров, в связи с чем в Карелии находятся морены не только местного происхождения, но и с территории Финляндии. Рыхлые отложения содержат значительное количество продуктов механического выветривания. Их химический состав близок к породам кристаллического фундамента [234].
В процессе химического выветривания, миграции и почвообразования происходит перераспределение микроэлементов, в основном на уровне концентраций, которыми характеризуются породы. В результате этих процесссов отложения могут терять некоторые макро- и микроэлементы [108, 109, 139, 167, 202, 268]. А.И. Марченко (1962) указывает на относительное богатство рыхлых (ледниковых) отложений Карелии отдельными химическими элементами и объясняет это наличием невыветрившихся первичных обломков горных пород Фенно-Скандинавского щита [139].
В Карелии, согласно общим законам почвообразования, химический состав и свойства перечисленных отложений обусловлены составом и свойствами пород, из которых они формировались, т.е. химическим составом горных пород кристаллического щита, в частности, Балтийского щита на котором располагается Карелия [139, 145].
На рыхлых отложениях происходило образование почв, и они в первую очередь обеспечили соответствующий химиический состав почв. В некоторых местах почвообразование связано непосредственно с кристаллическим фундаментом. В почвенном профиле можно встретить обломки горных пород (гранитов, гранодиоритов, гнейсо-гранодиоритов, диабазов, кварцитов, амфиболитов, габбро-амфиболитов, диоритов, рапакиви, известняков и т.д.) [139, 230, 239].
Большую роль в формировании почв и распределении химических элементов в почвах играют растения, которые «перекачивают» микроэлементы из нижних горизонтов в верхние, что обусловлено и существованием поглотительной способности почвы. Поглощая катионы, корни непрерывно выделяют в почвенную среду ион водорода, являющийся важным фактором выветривания. Наряду с биогенной аккумуляцией в почве наблюдается и вынос - миграция веществ с нисходящими токами влаги - выщелачивание [168, 175, 224]. Так, луговая и культурная растительность пахотных угодий занимает на территории республики очень небольшие площади [145]. В республике Карелия наблюдается следующее распределение земельной площади: лес - 55,13%, болота - 21,7%, водоемы - 10,38%, прочие земли 4,72%, вырубки и гари -3,2%, кустарники - 2,1%, сенокосы - 1,24%, пашни, огороды - 0,96%, выгоны - 0,57% [192, 234]. На долю земель сельскохозяйственного назначения на территории республики приходится 1,1% [154].
Согласно лесотипологическому районированию, предложенному Ф.С. Яковлевым и B.C. Вороновой [278], территорию Карелии пересекают две широтные полосы (подзоны): северотаежная (полоса воронично-лишайни-ково-зеленомошно-хвойных лесов), и среднетаежная (полоса зеленомош-ных хвойных лесов) [145, 154].
Распределение фтора в почвах различного типа
Нами проведено изучение содержания валового и водорастворимого фтора в почвах - тип подзолы (55 разрезов), тип подзолистые (21 разрез), тип дерново-подзолистые (18 разрезов).
Изучение фтора проводилось по генетическим горизонтам - А, В, С. Три представленные типа почв анализировались отдельно.
Анализ подзолов по генетическим горизонтам показал (табл.12), что минимальное содержание валового фтора отмечено в горизонте А - 51,62 мг/кг (оті0,00 мг/кг до 85,25 мг/кг), несколько выше - в горизонте В - 56,71 мг/кг (от 10,00 мг/кг до 210,00 мг/кг), достигая максимальных показателей в горизонте С - 135,00 мг/кг (60,00 мг/кг - 210,00 мг/кг).
Уровень водорастворимого фтора в генетических горизонтах подзолов минимальным был в горизонте В - 1,28 мг/кг (от 0,10 мг/кг до 3,60 мг/кг), тогда как в горизонте А этот показатель достигал максимального значения - 2,04 мг/кг (от 0,10 мг/кг до 5,40 мг/кг). Содержание водорастворимого фтора в горизонте С составляло 1,80 мг/кг (от 0,37 мг/кг до 5,00 мг/кг) и было ниже, чем в горизонте А.
Уровень водорастворимого фтора более высоким был в горизонте С -13,44 мг/кг (от 6,10 мг/кг до 23,50 мг/кг), тогда как в горизонтах А и В его содержание было ниже более, чем в 2 раза. При этом в горизонте А показатели водорастворимого фтора превышали соответствующие показатели в горизонте В - 6,60 мг/кг (от 2,40 мг/кг до 11,00 мг/кг) и 5,09 мг/кг (от 1,80 мг/кг до 12,40 мг/кг) соответственно.
Содержание водорастворимого фтора в горизонте С достигало наиболее высоких показателей - 13,54 мг/кг (от 7,80 мг/кг до 20,00 мг/кг), тогда как в горизонтах А и В его содержание было ниже более. При этом в горизонте А количество фтора превалировало над соответствующими значениями в горизонте В - 6,23 мг/кг (от 2,07 мг/кг до 11,00 мг/кг) и 5,34 мг/кг (от 1,90 мг/кг до 11,00 мг/кг) соответственно.
Сравнительная оценка динамики изменения содержания фтора в генетических горизонтах подзолов, подзолистых и дерново-подзолистых типов почв показала, что по содержанию валового фтора имеют место однотипные тенденции, когда минимальные уровни фтора зафиксированы в верхнем горизонте А, в то время как иллювиальный горизонт имеет тенденцию к некоторому накоплению фтора, хотя этот процесс выражен слабо. Сравнительный анализ содержания водорастворимого фтора в подзолах, подзолистых и дерново-подзолистых почвах выявил достоверные отличия между ними. Так, минимальным содержанием водорастворимого фтора как в горизонте А, В, так и в С характеризовались подзолы. При этом содержание подвижного фтора в подзолистых и дерново-подзолистых типах почв было не только выше, чем в подзолах (в 2,5 и более раз), но и характеризовалось одинаковыми тенденциями: практически одинаковым содержанием в горизонте А и В при значительно более высоких значениях фтора в горизонте С (рис.5), мг/кг
При анализе коэффициента миграции в генетических горизонтах подзолов, подзолистых и дерново-подзолистых почв были выявлены некоторые особенности (табл.15). Так, в подзолах наиболее высокие значения коэффициента миграции отмечались в горизонте А (3,95%), снижаясь в горизонте В (2,54%) и принимая минимальные значения в горизонте С (1,35%).
Подзолистые почвы характеризовались также как и в подзолах наиболее высокой миграцией фтора в горизонте А (6,10%), степень которой снижалась в горизонтах В и С (4,63% и 5,16% соответственно). Несмотря на, казалось бы однотипные тенденции к снижению коэффициента миграции от поверхностных слоев по направлению к более глубоким, в подзолистых почвах разница между горизонтами А, В, С была минимальной, а миграционные процессы фтора в горизонте С даже несколько превышали интенсивность соответствующих процессов в иллювиальном горизонте В.
Содержание фторид-иона в крупных озерах и реках бассейнов балтийского и белого морей
Нами в течение двух лет проводилось изучение содержания фторид-иона в естественных водоемах, в местах проживания и туризма населения Республики Карелия. Все исследованные нами водные объекты были распределены по соответствующим группам.
Так, были выделены условные группы водных объектов: водоисточники бассейнов Белого и Балтийского морей (рис.21). Выбор объектов для исследования проводился на основании их значимости в народном хозяйстве при одновременном учете особенностей геолого-географического расположения.
Содержание фторид-иона в водах рек и озер Беломорского бассейна.
Проведен анализ 102 проб, взятых из 20 открытых водоисточников Беломорского бассейна (9 озер и 11 рек). В каждой пробе проводилось изучение содержания фторид-иона. Исследования проводились в течение двухлетнего периода с отбором проб воды в периоды зимней, летней меженей и половодья. Полученные данные представлены в таблице 47. Из таблицы 47 видно, что концентрация фторид-иона не превышала 0,400 мг/л ни в одной пробе.
Отдельно были проанализированы результаты исследования проб воды рек и озер.
Анализ уровня фтора в зависимости от периода наблюдения выявил, что наиболее низкие показатели изучаемого элемента определялись в период половодья (0,076 мг/л), в то время как зимнюю и летнюю межени содержание фтора в пробах воды было выше (0,224 и 0,211 мг/л соответственно) (табл.48).
Сравнительный анализ концентрации фторид-иона в реках и озерах в зависимости от периодов взятия проб показал, что в реках содержание фтора выше, чем в озерах, причем эта тенденция сохраняется во все периоды наблюдения - как в период половодья, когда содержание фтора было минимальным, так и в зимнюю и летнюю межени, когда концентрации фтора в Содержание фторид-иона в водах рек и озер Балтийского бассейна.
Проведен анализ 77 проб, взятых из 22 водоисточников Балтийского бассейна (10 озер и 12 рек). В каждой пробе проводилось изучение содержания фторид-иона. Исследования проводились в течение двухлетнего периода с отбором проб воды в периоды зимней, летней меженей и половодья. Полученные данные представлены в таблице 54.
Из таблицы 54 видно, что содержание фторид-иона в воде объектов Балтийского бассейна не превышала 0,370 мг/л.
Отдельно был проведен анализ изменения концентрации фтора в воде рек и озер.
Сезонные колебания концентрации фторид-иона в водах рек (табл.55) свидетельствовали о более высоких значениях фтора в зимнюю (0,238 мг/л) и летнюю межени (0,218 мг/л), в то время как в половодье концентрация фтора снижалась практически в два раза, достигая 0,129 мг/л.
Анализ фторидного статуса озер Балтийского бассейна (табл. 57) выявил те же тенденции, что и в водах рек - нарастание концентрации фтора в зимнюю и летнюю межени при низких концентрациях в половодье. Уменьшение концентрации фтора в период паводка может быть связан с тем, что концентрация фтора в поверхностных стоках мала. В период меженей в реках с высокой озерностью источником обогащения фтором могут быть трещинные воды. Воды буровых скважин (трещинного типа, более распространенного в республике) [165] отличаются более высокой концентрацией фтора по сравнению с поверхностными водами.
Известно, что содержание фтора в воде, как и других элементов, зависит от внешних условий, концентрации и формы его нахождения в исходных породах. Водная миграция фтора из исходной породы характеризуется коэффициентом водной миграции - отношением содержания элемента в сухом остатке воды к содержанию в исходной породе. Нами были высчитаны коэффициенты водной миграции фтора в отдельных реках и озерах (табл.61, 62). Вычисление данного показателя представляло отношение содержания фтора в сухом остатке воды к содержанию его в литосфере и в группе кислых горных пород.
